1. 网络发展历程
网络源于人的需求——让计算机之间能够协作。发展路径由局部（局域网）到整体（广域网）。
新技术（需求）带来新设备。
LAN（局域网）
![LAN 图示]
局域网的覆盖范围有限（一栋楼、一个校园），通过交换机等设备连接。
WAN（广域网）
![WAN 图示]
将多个局域网互连起来，形成更大范围的网络，即广域网。
2. 协议
本质是约定，用于形成共识，减少通信成本。协议需要先有约定，然后让多方共同遵守。
统一的网络协议标准由 ISO 制定，称为 OSI（开放系统互连） 模型。ISO 只制定标准，不写代码实现。
协议分层
协议也是软件，所有软件都是分层的。
OSI 七层模型
由于实现复杂度问题，实际工程中合并为 5 层（简化为 TCP/IP 协议 4 层，物理层一般不计入讨论）。
![OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型对照]
| 应用层 | 应用层 | HTTP, FTP, DNS, SSH |
| 表示层 | ↑ | SSL/TLS（实现在应用层库中） |
| 会话层 | ↑ | — |
| 传输层 | 传输层 | TCP, UDP |
| 网络层 | 网络层 | IP, ICMP, ARP |
| 数据链路层 | 数据链路层 | 以太网, MAC 地址, 交换机 |
| 物理层 | （不计） | 集线器, 网线, 光纤 |
TCP/IP 协议的意义
本地通信：所有本地硬件通过"线"连接起来（设备到设备）。冯诺依曼体系本身就是一个网络结构（CPU ↔ 内存 ↔ I/O）。
网络通信：本质是多台主机之间的设备（网卡）与设备（网卡）之间的通信，只是单纯的点之间的距离变长了，从而引发新的问题：
- 数据丢失怎么办？
- 如何定位目标主机？
- 如何找到通往目标的路径？
- 如何处理收到的数据？
![局域网 → 跨网络的问题]
解决问题的方案就是 TCP/IP 协议栈。
协议分层的一个重要原因：不同层用于解决不同种类、不同性质的问题。
| 应用层 | 如何组织和处理数据 |
| 传输层 | 数据是否可靠到达（丢包重传、流量控制） |
| 网络层 | 目标主机在哪里（寻址、路由） |
| 数据链路层 | 当前下一步去哪（相邻节点之间的帧传输） |
TCP/IP 协议与 OS 之间的关系
![协议与 OS 关系图]
协议的不同层其实是在主机的不同层次实现的：
- 数据链路层：在网卡驱动（硬件/固件）中实现
- 传输层（TCP） 和 网络层（IP）：在操作系统内核中实现
- 应用层：在用户态进程中实现
TCP 和 IP 给上层提供系统调用（Socket API）。
可以说，协议分层既是基于处理不同问题的需要，也是顺应计算机体系结构（分层结构）的结果。
![分层实现对应关系]
不同操作系统（Linux, Windows, macOS）在网络部分都遵循相同的 TCP/IP 协议，因此网络部分的代码逻辑本质一致，从而能够互相通信。
协议到底是什么
从计算机角度看，协议的本质是约定好的结构体（报文头部格式）。
![协议报文结构]
各层的主要职责和关键概念：
- 物理层：负责光/电信号的传递方式。集线器（Hub，信号中继器）工作在物理层。
- 数据链路层：负责设备之间的数据帧传送和识别。标准有以太网、令牌环网、无线 LAN（都是局域网技术）。交换机（Switch） 工作在这一层。
- 网络层：负责地址管理和路由选择。例如 IP 协议中通过 IP 地址 标识一台主机（更准确地说是网络接口），并通过路由表规划两台主机之间的数据传输线路（路由）。路由器（Router） 工作在这一层。
- 传输层：负责两台主机之间端到端的数据传输。如 TCP（传输控制协议），能确保数据可靠地从源主机发送到目标主机；UDP 则提供不可靠但低延迟的传输。
- 应用层：负责应用程序之间的沟通。网络编程主要针对应用层。
局域网可以有多种（以太网、令牌环网、WiFi），但整体的广域网只能有一个统一的网络层（IP）。因此网络的构成为：多种局域网通信标准 + 一个广域网通信标准。
多种局域网连接起来变成广域网，局域网是广域网的基础。
3. 局域网网络传输
![局域网拓扑示意]
ifconfig（或 ip addr）是一个查看网络接口信息的命令。eth0 是以太网接口的名称，ether 表示以太网，后面的值是网卡的 MAC 地址（全球唯一）。
在局域网中，数据是公开的（总线型或共享介质）。每一台主机的网卡用 MAC 地址 保证自己在局域网内的唯一性。
![MAC 地址帧结构]
工作原理：
- 主机 A（MAC_A）给主机 E（MAC_E）发送数据帧。
- 局域网内的所有主机都会收到这个帧。
- 各主机检查帧头中的 目标 MAC 地址（dst MAC），如果不是自己的，直接丢弃该帧。
- 以太网中，任何时刻只允许一台机器向网络中发送数据（半双工模式）。
- 如果多台主机同时发送，会产生数据干扰，称为数据碰撞。
- 所有发送数据的主机需要执行碰撞检测和碰撞避免算法（CSMA/CD）：发送前监听，碰撞后随机等待一段时间再重试。
- 在没有交换机（只有集线器）的情况下，一个以太网就是一个碰撞域。
局域网通信的过程中，主机通过目标 MAC 地址判断收到的报文是否是发给自己的。
以太网的本质是共享临界资源（共享信道）。而令牌环网则是：只有持有令牌的主机才能发言。
两个主机之间的通信本质就是两个协议栈在通信
![协议栈通信示意]
- 同层之间都以为自己在与对方直接通信（因为同层双方处理的数据相同——头部格式是一致的）。
- 每一层报文中的第一个头部叫协议报头，剩下的所有部分叫有效载荷。
- 自顶向下不断加报头的过程叫封装。
- 自下向上不断分离报头和有效载荷的过程叫解包（也叫分用）。
任何协议都必须满足两个基本能力：
底层收到数据但目标不是自己的，直接在数据链路层丢弃。
封装过程可以看作协议报头的不断入栈，解包就是不断出栈。因此一台主机的通信过程叫 协议栈。
不同层报文的叫法：
| 应用层 | 请求 / 应答（消息） |
| 传输层 | 数据段（Segment） |
| 网络层 | 数据报（Datagram / Packet） |
| 数据链路层 | 数据帧（Frame） |
网卡有一种模式叫混杂模式（Promiscuous Mode），在这种模式下网卡会接收所有经过的报文，无脑向上层传递（Wireshark 抓包就是基于此）。
报头中记载了传输给上层的协议是哪一个（如 Ethernet Type 字段标识上层是 IP 还是 ARP）。
4. 跨网络传输
IP 地址
IP 地址：默认使用 IPv4（4 字节，32 位），用于标识全球范围内网络接口的唯一性（公网 IP）。私网 IP（如 192.168.x.x, 10.x.x.x）可在不同局域网内重复使用，通过 NAT（网络地址转换）映射为公网 IP 访问互联网。
IP 与 MAC 之间的关系
一个形象的比喻：
- srcIP 和 dstIP 可以看作公交车的始发站和终点站（全程不变）。
- srcMAC 与 dstMAC 可以看作公交车的当前站与下一站（逐跳变换）。
- dstIP 是路由器转发决策的参照依据。
![IP vs MAC 示意]
路由器本身就是一台主机（有网络层），因此具备路由功能。
关键判断逻辑：
- 如果 dstIP 与 srcIP 在同一个子网内（通过子网掩码判断），src 主机直接将报文发送到目标主机。
- 如果 dstIP 不在同一子网，src 主机会将报文的 dstMAC 设为该局域网中默认网关（路由器） 的 MAC 地址，因为 src 主机不知道该 dstIP 在哪里。
- dstIP 用于判断该报文下一步是直接发给目标主机，还是发给路由器。
MAC 地址是在数据链路层封装的（网络层封装后交给数据链路层，数据链路层加上 MAC 头部）。
报文的传输过程
核心意义：
路由器重新封装（重写 MAC）的功能解决了不同局域网之间数据链路层协议不兼容的问题。因此从网络层往上看，所有网络都叫作 IP 网络。
