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TCP/IP 网际层详解

网际层（Internet Layer）是 TCP/IP 模型的核心层（对应 OSI 模型的网络层），负责实现主机之间的逻辑寻址和路由选择。核心协议是 IP（Internet Protocol），提供无连接的、尽力而为的数据包传输服务。

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核心功能

1. 逻辑寻址（IP 地址）

   • 为每个网络设备分配唯一 IP 地址（如 192.168.1.10）
   • 区分网络地址和主机地址（通过子网掩码）

2. 路由选择

   • 根据路由表选择最佳路径
   • 路由器在不同网络间转发数据包

3. 数据包封装与分片

   • 将传输层的段（Segment）封装成 IP 数据包
   • 当数据包超过链路层 MTU 时进行分片

4. 错误检测与处理

   • 通过 ICMP 协议报告传输错误（如 ping、traceroute）
   • 头部校验和验证（不验证数据部分）

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IPv4 数据包结构

 0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (if any)           |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             Data                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

• TTL：生存时间（每经过一个路由器减 1，防止无限循环）
• Protocol：上层协议（TCP=6, UDP=17）
• Flags/Fragment：控制分片与重组

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Mermaid 原理图解

1. IP 数据包封装流程

2. 跨网络路由过程

3. 分片与重组过程

4. ICMP 协议工作流程（Ping）

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关键协议

协议	作用	典型应用
IP	数据包路由和寻址	所有网络通信基础
ICMP	错误报告和诊断	ping, traceroute
IGMP	组播成员管理	视频会议，流媒体
ARP	IP地址 → MAC地址解析	局域网通信
IPsec	IP层安全加密	VPN

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典型设备

• 路由器：基于 IP 地址进行跨网络转发
• 三层交换机：具备路由功能的交换机

💡 重要特性：

1. 无连接：发送前不建立连接
2. 不可靠：不保证交付（不确认、不重传）
3. 尽力而为：不保证服务质量（QoS）
   这些特性使 IP 协议高度简单高效，可靠性由上层协议（如 TCP）补充。

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路由表示例

目标网络	子网掩码	下一跳	接口
192.168.1.0	255.255.255.0	直连	eth0
10.0.0.0	255.0.0.0	192.168.1.1	eth0
0.0.0.0	0.0.0.0	203.0.113.1	eth1
（默认路由）

通过网际层，TCP/IP 实现了全球互联网的互联互通，是 Internet 的基石。