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文章目录
- 概要&序論
- 一、认识和理解IP地址
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- 1.1 IP地址的基本概念与格式
- 1.2 跨网段数据传输与路由器
-
- 1.2.1 数据传输的路径与角色
- 1.2.2 逻辑层与物理层的屏蔽
- 1.3 IP地址与MAC地址的关系
- 1.4 IP地址与MAC地址的核心区别
- 二、端口号
-
- 2.1 认识端口与进程
- 2.2 认识端口号
概要&序論
Hello大家好，我是此方，本文将介绍 IP 地址、MAC 地址与端口号的基本概念及其作用，理解跨网段通信与路由器的工作原理，并梳理三者在网络通信中的关系与区别。
一、认识和理解IP地址
在探讨网络通信时，IP地址（Internet Protocol Address）是网络层核心的概念之一。它用于在网络中标识不同的主机或节点，是实现跨网络数据传输的基础。
1.1 IP地址的基本概念与格式
IP协议（网际协议）目前主要有两个版本：IPv4 与 IPv6。在未经特殊说明的情况下，通常默认指代的是 IPv4 协议。 对于 IPv4 而言，IP地址的基本特征与表现形式如下：
- 数据长度：IP地址本质上是一个 4字节（Byte）、即 32位（Bit） 的整数。
- 点分十进制表示法：为了方便人类阅读与记忆，通常采用“点分十进制”的字符串形式来表示 IP 地址，例如 192.168.0.1。
- 数值范围：被点号分隔的每一个十进制数字代表其中的 1 个字节，其取值范围在 0 到 255 之间。
讲个段子
2
32
=
4
,
294
,
967
,
296
2^{32} = 4,294,967,296
232=4,294,967,296，但是世界人口早就超越了这个数字，IPv4 在 2011 年就已经彻底发光了。大家只能搞出 NAT 技术，让成百上千台设备挤在一个公网 IP 后面，后来中国提出了IPv6 。但推行起来却卡在了国际政治与利益博弈上；
1.2 跨网段数据传输与路由器
数据从一台计算机传输到另一台计算机时，通常需要穿越不同的局域网（网段），这一过程被称为跨网段数据传输。
1.2.1 数据传输的路径与角色
当源主机（例如 用户A，IP为 192.168.2.2）需要向不同局域网的目标主机（例如 用户B，IP为 172.168.2.2）发送数据时：
- 本地判断与交付：源主机的网络层在检测数据包时，发现目标 IP 不属于当前局域网，便不会在本地网段直接广播，而是将数据包推送到本地网关——即路由器。
- 路由器的中转作用：路由器连接着不同的网络段，它拥有多个网卡和多个 IP 地址（如同时拥有 192.168.2.1 和 172.168.2.1）。路由器接收到数据后，基于目标 IP 进行路由选择，再将数据精准转发至下一跳网络，直至送达最终的目标主机。
1.2.2 逻辑层与物理层的屏蔽
在数据传输的全路径中，不同网段底层所使用的物理介质和数据链路层协议可能完全不同（例如以太网与令牌环网）：
- 网络层（IP协议）：通过统一的 IP 报头，屏蔽了底层的物理介质差异，使得上层（如 TCP、FTP 等）在逻辑上以为两端是直接连通的。
- 链路层（驱动程序）：各节点在物理传输时，调用各自对应的驱动程序（如以太网驱动或令牌环驱动）完成帧的封包与解包。
1.3 IP地址与MAC地址的关系
在跨网络传输中，IP地址 与 MAC地址 共同协作完成数据路由与物理交付，两者扮演着截然不同的角色。 我们可以借用“唐僧西天取经”的故事来具象化理解两者的工作机制：
- IP地址（长远目标）：代表“从哪里来，到哪里去”（例如：源IP 为东土大唐，目的IP 为西天）。在整个传输过程中，数据包的源 IP 和目的 IP 是保持不变的。它决定了数据传输的终点与整体路径选择。
- MAC地址（下一站目标）：代表“上一站从哪里来，下一站去哪里”（例如：从东土大唐到女儿国，再从女儿国到车迟国，最后到黑风岭）。在跨路由器传输的每一跳中，数据链路层的 源MAC 和 目的MAC 会随着物理介质的变化而不断变更。
通过 IP 地址指明远方终点，MAC 地址解决局域网内相邻节点的跳转，数据包才能在错综复杂的网络中准确无误地跨越重重路由器，最终抵达目的地。
下图结合封装与解包，体现路由器解包和重新封装的特点
1.4 IP地址与MAC地址的核心区别
- IP地址在整个路由过程中，一直不变；
- MAC地址一直在变；
- 目的IP是一种长远目标，MAC是下一阶段目标；
- 目的IP是路径选择的重要依据，MAC地址是局域网转发的重要依据。
提炼IP网络的意义和网络通信的宏观流程图
IP网络层存在的意义：提供网络虚拟层，让世界的所有网络都是 IP 网络，屏蔽最底层网络的差异。
二、端口号
2.1 认识端口与进程
- 数据传输到主机不是目的，而是手段：数据最终是给人用的（如聊天、下载、浏览网页），而人在系统中的代表就是进程（如 QQ、迅雷、浏览器），把数据交给主机内的进程，人才能拿到数据。到达主机内部后再交给主机内的进程，才是目的。
- 标识进程的唯一性：系统中同时存在非常多的进程，当数据到达目标主机之后，怎么转发给目标进程？这就需要在网络背景下、在系统中标识主机中进程的唯一性。
2.2 认识端口号
端口号（port）是传输层协议的内容。
-
基本概念：
- 端口号是一个 2 字节、16 位 的整数。
- 端口号用来标识一个进程，告诉操作系统当前的数据要交给哪一个进程来处理。
- IP地址 + 端口号 能够标识网络上的某一台主机的某一个进程。
- 一个端口号只能被一个进程占用。
-
端口号范围划分：
- 0 – 1023：知名端口号，HTTP、FTP、SSH 等广泛使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的。
- 1024 – 65535：操作系统动态分配的端口号。客户端程序的端口号，就是由操作系统从这个范围分配的。
-
理解“端口号”和“进程ID”：
- 一个进程可以绑定多个端口号，但是一个端口号不能被多个进程绑定。
- 进程 PID 属于系统概念，技术上也具有唯一性，确实可以用来标识唯一的一个进程。但如果直接在网络中使用 PID，会致使系统进程管理和网络强耦合，因此实际设计时并没有选择这样做。
-
理解源端口号和目的端口号：
- 传输层协议（TCP 和 UDP）的数据段中有两个端口号，分别叫做源端口号和目的端口号，用来描述“数据是谁发的，要发给谁”。
好的本期内容就到这里，如果对你有帮助，还不要忘记点赞三联支持。我是此方，我们下期再见。bye! Linux、C++、算法持续连载中，欢迎关注WeChat Official Account 【此方的技术栈】。
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