前言：

学习计算机网络不仅是软件开发的基础功，更是成为一名合格后端工程师、网络工程师的重要门槛。本文将基于 TCP/IP 协议体系，系统梳理网络层、数据链路层、以及相关协议的核心知识，并结合实际案例与代码示例帮助理解。

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一、网络层：为数据寻找最佳路径

网络层的核心作用是在复杂的网络环境中找到一条合适的路径，把数据从源地址送到目标地址。

1. IP协议基础

• 主机与路由器：主机有IP但不做路由控制，路由器既有IP又能进行路由转发。
• 协议头结构：包含版本号、头部长度、TOS服务类型、总长度、标识与分片信息、TTL、生存时间、协议类型、校验和、源/目标IP等字段。

示例：查看本机IP和路由信息

# 查看本机IP、MAC、MTU
ifconfig# 查看路由表
route -n

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2. 网段划分与子网掩码

• 通过子网掩码区分网络号和主机号，解决传统 A/B/C 类地址浪费问题。
• CIDR 提高了IP利用率，例如 192.168.1.1/24 表示高 24 位为网络号。
• DHCP 自动分配IP，减少人工配置。

示例：计算网络号

import ipaddressip = ipaddress.ip_interface("192.168.1.100/24")
print("IP地址:", ip.ip)
print("网络号:", ip.network)

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二、数据链路层：在相邻节点之间可靠传输

数据链路层负责在同一链路上的两个节点间传递数据。

1. 以太网与MAC地址

• 以太网是一种局域网技术标准，规定了拓扑结构、访问控制、传输速率等。
• MAC地址是硬件唯一标识，长度48位，通常以16进制表示。

示例：查看本机MAC地址

ifconfig | grep ether

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2. MTU与分片

• 以太网最大传输单元（MTU）为1500字节。
• 超过MTU的大包会被分片，UDP/TCP都会受其影响。
• TCP通过MSS协商避免不必要的分片。

示例：修改MTU

sudo ifconfig eth0 mtu 1400

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三、ARP协议：IP与MAC之间的桥梁

ARP（地址解析协议）用于在已知IP的情况下，获取对应MAC地址。

示例：查看ARP缓存表

arp -a

Python示例：发送ARP请求（需scapy库）

from scapy.all import ARP, Ether, srptarget_ip = "192.168.1.1"
arp = ARP(pdst=target_ip)
ether = Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")
packet = ether/arpresult = srp(packet, timeout=2, verbose=False)[0]
for sent, received in result:print(f"IP: {received.psrc}, MAC: {received.hwsrc}")

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四、其他关键协议与技术

1. DNS域名解析

• 将域名映射到IP地址。
• 解析过程会先查本地hosts文件，再查询DNS服务器。

示例：使用 dig 查看解析过程

dig www.baidu.com

Python示例：域名解析

import socket
print(socket.gethostbyname("www.baidu.com"))

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2. ICMP协议

• 用于网络诊断和错误报告，如 ping、traceroute。
• 注意：ICMP是网络层协议，没有端口号。

示例：测试网络连通性

ping www.baidu.com
traceroute www.baidu.com

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3. NAT与NAPT

• NAT将私有IP映射为公网IP。
• NAPT通过端口号映射支持多主机共享公网IP。

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4. 代理服务器

• 正向代理：客户端通过代理访问外部资源。
• 反向代理：代理作为缓存或负载均衡中间层。

示例：Python设置HTTP代理

import requestsproxies = {"http": "http://127.0.0.1:8080","https": "http://127.0.0.1:8080"
}response = requests.get("http://httpbin.org/ip", proxies=proxies)
print(response.text)

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五、总结

• 数据链路层：关注MAC地址、MTU、以太网标准、ARP。
• 网络层：理解IP地址结构、路由机制、NAT原理、ICMP功能。
• 传输层：掌握端口号概念、TCP/UDP特性。
• 应用层：了解HTTP、DNS、代理等技术的工作流程。

掌握这些基础知识，不仅能帮助理解互联网的运作原理，也能为编程、网络配置、排错提供坚实的理论基础。