从零吃透网络三层！交换机、IP、TCP/UDP 保姆级拆解
你每天刷短视频、发微信、逛淘宝时，有没有好奇过：手机里的数据是怎么 “跑” 到互联网另一端的？其实这背后藏着一套超有逻辑的 “快递系统”—— 数据链路层（交换机）打包，网络层（IP）规划路线，传输层（TCP/UDP）负责送货。这篇文章专门给 0 基础的朋友写，不用怕听不懂！我会用 “快递”“打电话” 这种生活化比喻，搭配专业知识点，再放满表格和代码，让你看完就能搞懂网络最核心的三层逻辑。传输层。
目录
1.2 以太网进化史：从 “自行车” 到 “火箭” 的速度飞跃
前言：为什么你该懂点网络三层？
你每天刷短视频、发微信、逛淘宝时，有没有好奇过：手机里的数据是怎么 “跑” 到互联网另一端的？其实这背后藏着一套超有逻辑的 “快递系统”—— 数据链路层（交换机）打包，网络层（IP）规划路线，传输层（TCP/UDP）负责送货。
这篇文章专门给 0 基础的朋友写，不用怕听不懂！我会用 “快递”“打电话” 这种生活化比喻，搭配专业知识点，再放满表格和代码，让你看完就能搞懂网络最核心的三层逻辑。
一、数据链路层：交换机是局域网的 “智能快递站”
1.1 先搞懂：数据链路层到底干啥？
如果把网络比作快递公司，数据链路层就是 “打包 + 本地配送部门”，核心工作就 4 件事：
-
建连接：插上网线，设备之间就能 “通邮”（类似开通小区配送路线）
-
装帧：给网络层的 “数据包” 套上 “帧” 的外壳（像给文件装快递盒）
-
查错误：用校验码检查数据有没有损坏（快递员核对包裹是否破了）
-
控流量：别让发送方发太快，避免接收方 “爆仓”（快递站忙时暂停收件）
即：
1.建立、维护、拆除数据链路
2.包装、传输、同步帧
3.帧的差错恢复 采用重传法
4.流量控制 确保传输设备稳定，双方传输速率匹配1.2 以太网进化史：从 “自行车” 到 “火箭” 的速度飞跃
我们现在用的局域网基本都是以太网，它的速度几十年翻了百万倍，看表格更直观：
| 时间节点 | 标准 / 版本 | 传输速率 | 生活化类比 |
|---|---|---|---|
| 1973 年 | 实验性以太网（施乐） | 2.94 Mbps | 自行车送货 |
| 1980 年 | DIX Ethernet V1 | 10 Mbps | 摩托车送货 |
| 1983 年 | IEEE 802.3 | 10 Mbps | 面包车送货 |
| 1995 年 | IEEE 802.3u（快速以太网） | 100 Mbps | 小轿车送货 |
| 1998 年 | IEEE 802.3z/ab（千兆以太网） | 1000 Mbps | 高铁送货 |
| 2000 年后 | 万兆 / 40G/100G 以太网 | 10+ Gbps | 火箭送货 |
1.3 MAC 地址：网卡的 “全球唯一身份证”
每块网卡（手机、电脑里都有）出厂时都自带一个MAC 地址，格式长这样：00-D0-09-A1-D7-B7，记住 3 个关键知识点：
-
总长 48 位二进制，分成 6 段用十六进制表示（人类好读）
-
前 24 位：厂商编号（比如华为、Intel 向 IEEE 申请的专属号）
-
后 24 位：网卡序列号（同一厂商生产的网卡，序列号绝不重复）
-
第 8 位是 “身份标识”：0 = 单播地址（给单个设备），1 = 组播地址（给一组设备）
1.4 以太网帧格式：数据的 “快递包装说明书”
一个完整的以太网帧，就像贴满标签的快递盒，结构固定：
[前导码(7字节)] + [帧起始定界符(1字节)] + [目标MAC(6字节)] + [源MAC(6字节)] + [类型(2字节)] + [数据(46-1500字节)] + [FCS(4字节)]
各部分作用用表格拆解更清楚：
| 字段 | 长度 | 核心作用 | 生活化比喻 |
|---|---|---|---|
| 前导码 | 7 字节 | 让接收方时钟同步 | 快递员按门铃：“准备收快递啦！” |
| 帧起始定界符 | 1 字节 | 标记帧的开始 | 快递员敲门：“快递到了！” |
| 目标 MAC | 6 字节 | 数据要发给谁 | 收件人地址 |
| 源 MAC | 6 字节 | 数据是谁发的 | 寄件人地址 |
| 类型 | 2 字节 | 标明上层协议（0800H=IP，0806H=ARP） | 快递单上写 “文件”“电子产品” |
| 数据 | 46-1500 字节 | 真正要传的内容（网页 / 视频等） | 快递里的货物 |
| FCS | 4 字节 | 32 位 CRC 校验，检查数据是否损坏 | 快递盒上的防伪码，核对是否被拆过 |
1.5 交换机工作原理：
-
学习源 MAC 地址：当收到设备（如 A 机）发送的帧时，会在 MAC 地址表中记录 “源 MAC 地址（A 的 MAC）- 接收端口” 的对应关系（生存时间约 300 秒），而非仅 “接受” 地址；
-
查找并转发目标 MAC 地址：若表中存在目标设备（如 B 机）的 MAC - 端口记录，直接单播转发至对应端口；若不存在，则从除接收端口外的所有端口泛洪（广播）该帧，并非默认先广播；
-
处理回应帧以完善记录：”当目标设备（B 机）收到广播帧后，会向源设备（A 机）发送单播回应帧，交换机通过该回应帧学习 “B 的 MAC - 对应端口” 的关系，并直接转发回应帧给 A 机，而非 B 机主动 “把目标 MAC 发给交换机”；
-
后续高效单播通信：A 机再次向 B 机发送数据时，因 MAC 地址表中已存在双方的记录，交换机直接单播转发，不再广播，且交换机对广播帧 / 组播帧会无条件泛洪，若同一 MAC 从新端口接入则更新地址表记录，同时部分交换机支持端口安全限制 MAC 学习数量以防攻击。
交换机 3 种工作模式（别搞混！）
-
单工：只能发或收，不能同时（像对讲机，按住说话就听不见）
-
半双工：能发也能收，但不能同时（像步话机，你说完我再说）
-
全双工：能同时收发（像打电话，边说边听，效率最高）
二、网络层：IP 协议是互联网的 “导航系统”
2.1 网络层的核心任务：给数据 “规划跨城路线”
如果说数据链路层负责 “小区内配送”，那网络层就是 “跨城物流调度中心”，主要干 3 件大事：
-
编 IP 地址：给全网设备分配唯一 “逻辑门牌号”（比如 192.168.1.1）
-
连异构网络：让数据在 WiFi、5G、光纤等不同网络间穿梭（快递既能走陆运也能走空运）
-
选最优路线：用路由算法（如 OSPF、BGP）选最快路径（像导航避开堵车路段）
总结成一句话就是，路由器通过路由表选择最佳方式到达对端。
2.2 IP 数据包格式：带导航信息的 “快递单”
IP 数据包分 “头部”（导航信息）和 “数据”（货物），头部字段超关键，看表格：
| 字段 | 长度 | 核心作用 | 关键说明 |
|---|---|---|---|
| 版本 | 4 位 | 标识 IPv4/IPv6 | 我们常用的是 IPv4（值为 4） |
| 首部长度 | 4 位 | IP 头的长度 | 单位是 4 字节，最小 20 字节（无可选字段时） |
| TTL | 8 位 | 存活时间 | 每过一个路由器减 1，到 0 就丢弃（防止数据无限转圈）,最多只能15调 |
| 协议号 | 8 位 | 标明上层协议 | 6=TCP，17=UDP（告诉 IP 包该交给谁处理） |
| 源 IP / 目标 IP | 32 位（IPv4） | 收发方地址 | 类似 “寄件人城市地址” 和 “收件人城市地址” |
| 标识符 / 标志 / 段偏移 | 32 位 | 分片重组 | 大文件拆成小包传输，靠这 3 个字段拼回去（像家具拆成零件运，到了再装） |
2.3 ICMP 协议：网络世界的 “故障报警器”
ICMP（互联网控制报文协议）是网络层的 “检修员”，专门处理错误和诊断，记住 2 个核心场景：
-
报错：数据丢了 / 目标不可达时，返回错误信息（像快递员打电话说 “地址错了，送不到”）
-
诊断：支持 ping、traceroute 命令（检查网络通不通、看数据走了哪些路由器）
常用 ping 命令（实操代码！）
# Windows系统
ping www.baidu.com # 默认发4个包，检查连通性
ping www.baidu.com -t # 持续ping，按Ctrl+C停止
ping www.baidu.com -l 1000 # 发1000字节的大包，测试大数据传输
# Linux/macOS系统
ping www.baidu.com -c 5 # 只发5个包
ping www.baidu.com -s 1000 # 发1000字节的包（注意Linux参数是-s）
tracert命令：
在命令行中输入“tracert ”并在后面加入一个IP地址，可以查询从本机到该IP地址所在的电脑要经过的路由器及其IP地址
2.4 ARP 协议：IP 和 MAC 的 “翻译官”
IP 地址是 “逻辑门牌号”（比如北京市朝阳区 XX 路），MAC 地址是 “物理门牌号”（比如 XX 小区 3 号楼 1 单元 501），ARP 协议就是把 “逻辑地址” 翻译成 “物理地址” 的工具。
ARP 工作流程（以 PC1 给 PC2 发数据为例）
-
PC1 先查自己的 “ARP 缓存表”：有没有 PC2 的 IP→MAC 映射？
-
没有的话，PC1 广播 ARP 请求：“谁是 192.168.1.2？快告诉我你的 MAC 地址！”（目标 MAC 是 FF-FF-FF-FF-FF-FF，全网广播）
-
所有设备收到请求，只有 PC2 回应：“我是 192.168.1.2，我的 MAC 是 00-11-22-33-44-55”（单播回应，不广播）
-
PC1 把 PC2 的 IP-MAC 映射存入 ARP 缓存表（默认保存 120 秒，过期重新查询）
ARP 相关命令（实操必看）
# 查看ARP缓存表（Windows/Linux通用）
arp -a
# 删除指定IP的ARP记录
arp -d 192.168.1.1
# 绑定静态ARP（防止被欺骗，需管理员权限）
arp -s 192.168.1.1 00-11-22-33-44-55
# Windows下用netsh绑定（更稳定）
netsh -c "i i" add neighbors 19 "192.168.1.1" "00-11-22-33-44-55"
# 注：19是网络接口序号，用netsh -c i i show in查看
2.5 ARP 欺骗：黑客的 “冒牌快递员” 操作
ARP 协议有个漏洞：不验证回应的真实性，黑客就靠这个搞事，比如 “网关欺骗”：
-
黑客（PC2）给你的电脑（PC1）发假 ARP 回应：“我是网关，我的 MAC 是 PC2 的 MAC”
-
同时给网关发假回应：“我是 PC1，我的 MAC 是 PC2 的 MAC”
-
结果：PC1 和网关的所有数据都要经过黑客设备（黑客成了 “中间人”，能偷数据、改数据）
防御方法（3 招搞定）
-
绑静态 ARP：手动在 PC 和网关上设置 IP-MAC 对应关系（黑客改不了）
-
开 ARP 防护：路由器 / 交换机开启 ARP 欺骗防御功能
-
用加密通信：重要数据走 HTTPS/SSH，即使被截胡也看不懂
三、传输层：TCP/UDP 是数据的 “两种快递服务”
3.1 TCP vs UDP：可靠和快速怎么选？
传输层有两种核心协议，就像两种快递服务，各有优缺点，看表格对比：
| 对比维度 | TCP（顺丰到付） | UDP（普通平邮） |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（需三次握手） | 无连接（直接发） |
| 可靠性 | 可靠（丢包重传、按序到达） | 不可靠（丢了不补） |
| 速度 | 较慢（有确认、重传开销） | 较快（无额外开销） |
| 流量控制 | 有（根据接收方能力调整速度） | 无（不管接收方能不能处理） |
| 适用场景 | 网页、文件传输、邮件（要稳） | 视频通话、游戏、DNS（要快） |
3.2 TCP 报文段：带 “签收功能” 的精密包裹
TCP 报文段的头部超复杂，但核心字段就几个，记住它们的作用：
[源端口(16位)] + [目标端口(16位)] + [序号(32位)] + [确认号(32位)]
[首部长度(4位)] + [控制位(6位)] + [窗口大小(16位)] + [校验和(16位)]
[紧急指针(16位)] + [选项(可变)] + [数据]
关键字段拆解（重点记！）
-
端口号：源端口（你的应用，如微信的 54321）、目标端口（对方应用，如微信服务器的 443）→ 类似 “寄件人电话” 和 “收件人电话”
-
序号 / 确认号：序号给数据字节编号（防止乱序），确认号告诉对方 “我收到了多少数据”（比如确认号 = 150，就是 “我收到 1-149 字节，下次发 150 开始的”）
-
控制位（6 个关键标志，记口诀）：
URG 急（加急）、ACK 认（确认）、PSH 催（尽快处理）、RST 断（重置连接）、SYN 连（请求连接）、FIN 完（结束连接） -
窗口大小：告诉对方 “我还能接多少数据”（接收缓冲区剩余空间）→ 类似 “我家快递柜还能放 5 个包”
3.3 TCP 三次握手：建立连接的 “礼貌流程”
TCP 建立连接必须走 “三次握手”，就像打电话：
-
客户端 → 服务器：“喂，在吗？”（SYN=1，Seq=x，x 是随机数）
-
服务器 → 客户端：“在的，你能听到吗？”（SYN=1，ACK=1，Seq=y，Ack=x+1）
-
客户端 → 服务器：“能听到，开始传数据吧！”（ACK=1，Seq=x+1，Ack=y+1）
为什么要三次？因为要确认 “客户端能发、服务器能收 + 服务器能发、客户端能收”，两次握手只能确认一方，不安全。
3.4 TCP 四次挥手：断开连接的 “告别仪式”
TCP 断开连接要 “四次挥手”，因为可能有一方还有数据没发完：
-
A → B：“我没数据要发了，想断开”（FIN=1，ACK=1）
-
B → A：“好的，我知道了，等我发完剩下的”（ACK=1）
-
B → A：“我也没数据了，断开吧”（FIN=1，ACK=1）
-
A → B：“好的，拜拜”（ACK=1）
小知识：
四次的原因：B 可能还有数据没发，要先确认 “收到断开请求”，发完数据再发 “我也要断开” 的请求
A 最后会进入 TIME_WAIT 状态（等 2MSL）：防止 B 没收到最后一次 ACK，超时重传时 A 还能回应（避免 B 一直等）
3.5 常见端口号：应用程序的 “门牌号”
每个网络应用都有专属端口号，记住常用的：
| 协议 | 端口号 | 对应应用 | 用途 |
|---|---|---|---|
| TCP | 80 | HTTP | 普通网页访问 |
| TCP | 443 | HTTPS | 加密网页访问（安全） |
| TCP | 21 | FTP | 文件传输 |
| TCP | 25 | SMTP | 发送邮件 |
| TCP | 3306 | MySQL | 数据库连接 |
| UDP | 53 | DNS | 域名解析（把www.baidu.com转成 IP） |
| UDP | 67 | DHCP | 自动分配 IP 地址 |
| UDP | 123 | NTP | 网络时间同步 |
最后用 “发微信” 把三层逻辑串起来，帮你巩固：
-
传输层：微信用 TCP 协议包装消息，加上 “你的手机端口（如 54321）” 和 “微信服务器端口（443）”，确保消息不丢
-
网络层：给 TCP 包套 IP 头，加上 “你的 IP（如 192.168.1.100）” 和 “微信服务器 IP（如 180.101.49.12）”，路由器用路由表选最快路径
-
数据链路层：给 IP 包套以太网帧，加上 “你的 MAC” 和 “路由器 MAC”，交换机根据 MAC 地址把帧转发到路由器
-
数据跨越多个路由器，重复 “网络层选路 + 数据链路层转发”，最终到达微信服务器，再反向传给朋友的手机
其实网络三层的逻辑很简单：数据链路层管 “本地配送”，网络层管 “跨城导航”，传输层管 “送货服务质量”。最后，喜欢的点赞收藏呦~
惟楚有才，于斯为盛。欢迎来到长沙！！！ 茶颜悦色、臭豆腐、CSDN和你一个都不能少~
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