C#网络编程(二)----网络层/链路层
网络层协议网络层（Network Layer） 的主要功能是实现主机之间的逻辑寻址、路由选择和分组转发，确保数据在不同网络（如局域网、广域网）之间的传输
协议类别核心协议路由协议辅助协议扩展协议功能逻辑寻址、分组转发路径计算与路由表维护地址解析、错误控制、组播管理安全、NAT、QoS等典型协议IPv4/IPv6、IPSecOSPF、BGP、RIPARP、ICMP、IGMPNAT、GRE、DiffServIP
IP(Internet Protocol)，是分配给连接到计算机网络的每个设备唯一标识符，用于在网络中通信。IP地址使数据包能够在网络上找到其位置，将数据从源主机路送到目的主机，跨越多个中间网络设备(路由器)，屏蔽底层网络差异（如以太网、Wi-Fi、广域网）。
但IP协议有点类似渣男，秉承着不主动，不拒绝，不负责原则：
[*]无连接
不预先建立建立，直接发送数据包(Packet)。
[*]不可靠
不保证数据一定到达，不检查错误，不重传丢失的数据
它来鹅城只做三件事：
[*]编址与标识(寻址)
每个连接到网络的设备，都会有一个IP地址。IP协议使用这个地址来表示源地址与目标地址。
[*]路由与转发
每个数据包携带源IP与目IP，路由器根据"路由表"选择最佳转发路径。
路由表通过静态配置或动态协议（如 BGP、OSPF）生成，核心依据是 “最长前缀匹配” 原则
[*]分片与重组（仅接收端）
当数据包超过链路层的MTU时(如以太网MTU为1500字节)，IP层将数据包拆分为多个分片(Fragment)，每个分片包含独立的IP头。
接收端会根据分布信息将这些片段重新组装成完整的数据包。
IP数据包格式
字段长度说明版本4位IPv4（值为4）或IPv6（值为6）首部长度4位以32位字为单位，最小5（20字节），最大60字节（含可选字段）区分服务8位旧称TOS（服务类型），用于QoS（服务质量），如优先级、延迟、吞吐量配置总长度16位数据报总字节数（首部+数据），最大65535字节标识16位唯一标识同一原始数据报的分片，用于重组标志3位包括“保留位”、“不分片（DF）”、“更多分片（MF）”标志片偏移13位分片数据在原始数据报中的偏移量（以8字节为单位）生存时间（TTL）8位数据报最大跳数（每经一个路由器减1，为0时丢弃，防止环路）协议8位上层协议类型（如TCP=6，UDP=17，ICMP=1）首部校验和16位仅校验IP首部，不校验数据（提高效率，可靠性由上层协议处理）源IP地址32位发送方IP目的IP地址32位接收方IP可选字段0-40字节用于调试、安全等（如记录路由、时间戳），较少使用IP的分类
[*]IPv4
最早和最常用的IP协议版本，使用32位地址，范围从0.0.0.0到255.255.255.255。约为43亿个，由于互联网的增长，已经快枯竭了。
[*]IPv6
为了解决IPv4地址枯竭，而设计的新一代IP协议。使用128位地址，提供海量的IP池。比如：fe80::a00e:9ff2:c15f:e833%21
IPv4地址已经快枯竭了，但依旧是互联网的主流。因为还有DHCP，CIDR，NAT为它续命。
看过的小伙伴一定对647号小宇宙不陌生，路由器就是为IPv4构建了一个又一个的小宇宙，不至于枯竭。
特性IPv4IPv6地址长度32位（约43亿地址）128位（足够为每粒沙子分配地址）地址空间分类严格（A/B/C类），浪费严重无类别（CIDR），地址分配灵活首部长度可变（20~60字节），处理复杂固定40字节，效率更高安全性依赖IPsec（可选）强制支持IPsec（加密与认证）移动性需额外协议（如MIP）内置移动性支持（家乡地址）分片源主机和路由器均可分片仅源主机分片，路由器不处理兼容性与IPv6不直接兼容支持双栈（同时运行IPv4/IPv6）IP地址分类
根据作用范围，IP地址可以分为两种
[*]私有IP地址
用于局域网内部(LAN)，不能在互联网中传输
10.0.0.0-10.255.255.255
172.16.0.0-172.31.255.255
192.168.0.0-192.168.255.255
[*]公有IP地址
有互联网服务商分配，可以在全球互联网中识别。
根据是否可以更改
[*]静态IP地址
手动分配，不会改变。适合用于长期保持相同IP的设备，比如服务器。
[*]动态IP地址
由DHCP服务器给你自动分配，每次连接网络或者超过一定时间都会改变。
ICMP
ICMP（Internet Control Message Protocol），用于IP层的错误报告和网络诊断，是一种面向无连接的协议。当IP数据无法访问目标IP，目标路由器时，会自动发送ICMP消息。
我们常用的Ping命令就是基于ICMP
链路层协议
数据链路层是 物理层（硬件连接）与 网络层（IP 寻址）的桥梁，负责在相邻节点之间传输数据帧，处理物理寻址、接入控制和错误检测。
MAC
数据链路层分为两个子层：
[*]逻辑链路控制子层(Logical Link Control,LLC)
为网络层提供统一接口（支持多协议如 IP、IPX），处理流量控制和链路管理（IEEE 802.2 标准，现代网络中功能多集成到 MAC 子层）。
LLC层常被简化，属于被抛弃的小孩
[*]媒体访问控制(Media Access Control,MAC)
负责物理寻址(MAC地址)，接入控制(CSMA/CD)和数据帧的传输
MAC地址:Media Access Control Address，是网络设备的硬件地址，用于在局域网中标识设备。MAC工作在链路层，用于设备间通信。
MAC帧格式
字段长度（字节）功能描述前导码（Preamble）7由 1010...10 交替的二进制位组成，用于接收端同步时钟，使物理层设备调整接收速率。帧开始定界符（SFD）1固定为 10101011，标识MAC帧的开始，通知接收端后续为有效数据帧。目的MAC地址（DMAC）6接收方网卡的物理地址（48位），最高位为 0 表示单播地址，1 表示组播地址，全 1（FF:FF:FF:FF:FF:FF）为广播地址。源MAC地址（SMAC）6发送方网卡的物理地址（48位），无组播/广播标识，始终为单播地址。类型字段（Type）2标识上层协议类型：
- 0x0800：IP协议
- 0x0806：ARP协议
- 0x86DD：IPv6协议
该字段区分帧承载的是哪种网络层数据。数据字段（Data）46~1500封装上层（网络层）的数据包（如IP数据报、ARP报文）。
- 最小长度46字节：若上层数据不足，需填充（Pad）至46字节，确保CSMA/CD机制正常工作（最小帧长64字节，减去14字节头部和4字节FCS，剩余46字节）。
- 最大长度1500字节：即MTU（最大传输单元），超过则需在网络层分片。帧校验序列（FCS）4基于CRC（循环冗余校验）算法生成的校验码，用于检测帧在传输过程中是否发生错误，校验范围包括DMAC、SMAC、Type、Data和Pad字段（不包括前导码和SFD）。网络层与链路层的桥梁，ARP
Address Resolution Protocol（ARP，地址解析协议） 是计算机网络中用于将 IP 地址（网络层地址）解析为 MAC 地址（数据链路层地址） 的关键协议。它是局域网（LAN）通信的基础，主要解决 “已知 IP 地址，如何获取对应物理地址” 的问题。其帧直接封装在数据链路层（如以太网）的帧中
场景：主机 A（IP: 192.168.1.1）要向主机 B（IP: 192.168.1.4）发送数据，但不知道 B 的 MAC 地址。
[*]ARP请求
主机 A 构造一个 ARP 请求数据包，包含自身 IP 和 MAC 地址，以及目标 IP（192.168.1.4）。
该请求以广播形式发送到局域网（所有主机都会收到）。
[*]ARP响应
所有主机收到广播后，检查目标 IP 是否为自身。
只有目标设备会响应，并发送一个包含其MAC地址的ARP响应帧。
[*]地址缓存
发送方收到ARP响应后，会将目标设备的IP地址和MAC地址映射关系缓存到本地。以便下次发送数据时，无需再进行地址解析。
ARP数据帧格式
字段长度（字节）描述示例值（以太网 + IPv4）硬件类型（Hardware Type）2标识底层硬件类型（如以太网、令牌环等）。
以太网对应值为 0x0001。0x0001（以太网）协议类型（Protocol Type）2标识上层协议类型（如 IPv4、IPv6 等）。
IPv4 对应值为 0x0800。0x0800（IPv4）硬件地址长度（Hardware Address Length）1硬件地址（如 MAC 地址）的长度（单位：字节）。
以太网 MAC 地址为 6。0x06协议地址长度（Protocol Address Length）1协议地址（如 IP 地址）的长度（单位：字节）。
IPv4 地址为 4。0x04操作码（Operation Code）2标识 ARP 操作类型：
1 = ARP 请求（Request），
2 = ARP 响应（Reply），
3 = RARP 请求（反向解析，已过时），
4 = RARP 响应。0x0001（请求）、0x0002（响应）发送方硬件地址（Sender Hardware Address）可变（依硬件地址长度）发送方的硬件地址（如发送方 MAC 地址）。
以太网中为 6 字节。发送方 MAC 地址（例：00-0C-29-12-34-56，二进制填充）发送方协议地址（Sender Protocol Address）可变（依协议地址长度）发送方的协议地址（如发送方 IP 地址）。
IPv4 中为 4 字节。发送方 IP 地址（例：192.168.1.100，点分十进制转换为 4 字节）目标硬件地址（Target Hardware Address）可变（依硬件地址长度）目标的硬件地址：
- ARP 请求时，因目标 MAC 未知，填全 0（6 字节全 0）；
- ARP 响应时，填入目标真实 MAC 地址。请求时：00-00-00-00-00-00（全 0）；
响应时：目标 MAC 地址目标协议地址（Target Protocol Address）可变（依协议地址长度）目标的协议地址（如目标 IP 地址，需解析的 IP）。目标 IP 地址（例：192.168.1.200，点分十进制转换为 4 字节）既生瑜何生亮？
IP地址与MAC地址都能表示唯一，那为什么既有IP，又有MAC呢？
[*]解决的问题不同
MAC地址作用于链路层，是区分硬件的物理地址，MAC 地址负责每个网段内的微观传输。
IP地址作用于网络层，是区分主机的逻辑地址，IP地址指导跨网段的宏观路由。
如果只用MAC地址进行网络寻址的话，MAC地址长度48位。2^48=256TB内存。这将会是你负担不起的路由器价格。
ARP的变种与扩展
[*]反向地址解析协议（RARP）
功能与 ARP 相反：已知 MAC 地址，解析对应的 IP 地址。
现已很少使用，被 DHCP 等协议替代。
[*]免费 ARP（Gratuitous ARP）
主机主动发送 ARP 广播（即使无通信需求），属于ARP reply帧，但请求的目标是自己。
用于是告诉广播域中其它主机自己的存在，更新其他主机的 ARP 缓存（如虚拟机迁移后，负载均衡的主备切换）。
判断广播域中是否存在IP冲突
[*]无状态 ARP（Stateless ARP）
主机不维护 ARP 缓存，每次通信前都发送 ARP 请求（适用于低功耗设备或动态网络）。
眼见为实
ARP
ICMP
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