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tags: [计算机网络, MAC地址, IP地址, 端口号]
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create time: 2026-05-17 22:30
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# 寻址体系：MAC / IP / Port
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## 概述
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网络中的每个端点需要三层地址才能精确定位到一个进程：**MAC 地址**（物理层/链路层）定位到哪台设备、**IP 地址**（网络层）定位到哪个子网、**端口号**（传输层）定位到哪个进程。三层地址组合起来，就是经典的 `ip:port` 定位公式。
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> [!QUESTION] 为什么需要三种地址？一层不够吗？
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> 每种地址解决不同尺度的问题。MAC 在同一个广播域内有效，但路由器不转发广播——跨网段必须用 IP 路由。IP 能到达目标主机，但不区分进程——同一台服务器可能跑着 Web、数据库、邮件等多个服务，所以需要端口来分发。
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## 一、MAC 地址（48 位）
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### 基本结构
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```
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前 3 字节 后 3 字节
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───────────── ─────────────
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OUI (厂商编号) NIC 序列号
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由 IEEE 分配 由厂商自定
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示例：`aabb.ccdd.eeff` = `AA:BB:CC:DD:EE:FF`
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- 前三个字节 `AA:BB:CC` → OUI，代表厂商
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- 后三个字节 `DD:EE:FF` → 设备唯一序列
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### MAC 地址类型
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| 类型 | 格式 | 含义 |
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|------|------|------|
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| 单播 | LSB=0 | 发给单个设备 |
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| 广播 | `ff:ff:ff:ff:ff:ff` | 发给局域网内所有设备 |
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| 组播 | LSB=1 | 发给一组设备 |
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### ARP 地址解析
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当知道一个主机的 **IP 地址** 时，需要通过 ARP 协议找到它的 **MAC 地址**。
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant Src as 源主机<br/>192.168.1.10/?.mac
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participant Bcast as 局域网广播
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participant Dst as 目标主机<br/>192.168.1.20/aa:bb:cc:11:22:33
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participant Cache as 源主机 ARP 缓存
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Src->>Bcast: ARP Request "192.168.1.20 是谁？→ ff:ff:ff:ff:ff:ff"
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Dst-->>Src: ARP Reply "我是！MAC = aa:bb:cc:11:22:33"
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Src->>Cache: 写入缓存条目 (Linux 默认 ≈ 30s, Windows ≈ 15~45s, 可配置)
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Note over Src,Dst: 之后的通信直接用此 MAC，不再发 ARP
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```
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### ARP 缓存查看与管理
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```bash
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# Linux
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$ ip neigh show # 等价于 arp -n
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192.168.1.20 dev eth0 lladdr aa:bb:cc:dd:ee:ff STALE
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$ ip neigh del 192.168.1.20 dev eth0 # 删除缓存条目
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# macOS / Windows
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$ arp -a
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```
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## 二、IP 地址（IPv4 32 位 / IPv6 128 位）
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### IPv4 首部结构
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```
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版本(4 bits) IHL(4 bits) DSCP(8 bits) Total Length(16 bits)
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...
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Identification(16 bits) | DF/MF | Fragment Offset(13 bits)
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TTL(8 bits) | Protocol(8 bits) | Header Checksum(16 bits)
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Source Address(32 bits)
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Destination Address(32 bits)
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Options (可选)...
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```
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### IPv4 vs IPv6
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| 特性 | IPv4 | IPv6 |
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|------|------|------|
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| 地址长度 | 32 bit (4 字节) | 128 bit (16 字节) |
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| 地址数量 | ~43 亿 (2³²) | ~3.4×10³⁸ (2¹²⁸) |
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| 表示法 | `192.168.1.1` | `2001:0db8::1` |
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| 首部固定长度 | 20 bytes（可变选项更长） | 40 bytes（固定） |
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| Checksum | ✅ 有 | ❌ 无（依赖上层校验） |
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| NAT | 广泛使用（缓解地址耗尽） | 不需要（地址充足） |
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| SLAAC | — | 支持无状态自动配置 |
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| 组播 | 有限支持 | 原生支持 |
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| 地址解析 | ARP（广播） | NDP / Neighbor Discovery（组播，替代 ARP） |
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### IPv6 地址表示与压缩
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IPv6 地址共 128 位，用冒号分隔为 8 组，每组 4 个十六进制数：
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```
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完整写法: 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001
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压缩规则 1 — 每组前导零可省略: 2001:db8:0:0:0:0:0:1
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压缩规则 2 — 连续全零组用 :: 替代（仅一次）: 2001:db8::1
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```
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> [!QUESTION] `::` 能用几次？
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> 只能用**一次**。如果出现两个 `::`，解析器无法确定每组省略了多少个零，地址就会歧义。
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### IPv6 特殊地址
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| 地址 | 用途 |
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|------|------|
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| `::1` | 环回地址，等价于 IPv4 的 `127.0.0.1` |
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| `::` | 未指定地址，等价于 IPv4 的 `0.0.0.0` |
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| `fe80::/10` | 链路本地地址（Link-Local），同一链路自动通信 |
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| `ff00::/8` | 组播地址 |
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> 更多 IPv6 细节见 [[hhs/NETWORK/03-网络层/03-IPv6地址与扩展头部]]。
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### IP 地址分类（历史）
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| 类别 | 首字节范围 | 默认掩码 | 可用主机数 | 用途 |
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|------|-----------|---------|-----------|------|
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| A | 1–126 | /8 | 16,777,214 | 大型组织 |
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| B | 128–191 | /16 | 65,534 | 中型组织 |
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| C | 192–223 | /24 | 254 | 小型网络 |
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| D | 224–239 | — | — | 组播 |
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| E | 240–255 | — | — | 保留 |
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> [!warning] CIDR 已淘汰分类编址
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> 现代网络全部使用 **CIDR（Classless Inter-Domain Routing）** 无类编址，子网掩码可以是任意位数（如 /23、/27）。
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> CIDR 用"前缀长度"取代了固定的 A/B/C 类划分，例如 `192.168.1.0/24` 表示前 24 位是网络号，剩余 8 位是主机号。
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> 更多细节见 [[hhs/NETWORK/03-网络层/02-CIDR与子网划分]]。
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### 特殊 IP 地址
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| 地址 | 用途 |
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|------|------|
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| `127.0.0.1` / `::1` | 环回地址（Loopback），本机内部通信 |
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| `0.0.0.0` | 表示"本机所有网卡"（服务端 bind 时常用） |
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| `169.254.x.x` | 链路本地地址（DHCP 失败时自动分配） |
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### 私有 IP 地址段
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互联网上的路由器**不会转发**来自以下范围的数据包，它们仅用于内网，通过 NAT 转换为公网 IP 后才能访问互联网：
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| 类别 | 地址范围 | CIDR | 可用地址数 |
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|------|---------|------|-----------|
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| A 类 | `10.0.0.0` ~ `10.255.255.255` | `10.0.0.0/8` | ~1677 万 |
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| B 类 | `172.16.0.0` ~ `172.31.255.255` | `172.16.0.0/12` | ~104 万 |
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| C 类 | `192.168.0.0` ~ `192.168.255.255` | `192.168.0.0/16` | ~6.5 万 |
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> [!tip] 私有地址 + NAT = 解决 IPv4 耗尽
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> 一个公网 IP 可以通过 NAT 映射背后成百上千个私有 IP，这就是为什么 IPv4 至今仍在大规模使用。详见 [[hhs/NETWORK/03-网络层/08-NAT原理与应用]]。
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## 三、端口号（16 位）
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### 端口范围
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| 范围 | 名称 | 说明 |
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|------|------|------|
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| 0–1023 | 熟知端口 (Well-Known) | 预分配给标准服务（HTTP:80, HTTPS:443, SSH:22, DNS:53） |
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| 1024–49151 | 注册端口 (Registered) | 申请注册的商业软件 |
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| 49152–65535 | 动态端口 (Ephemeral) | 客户端临时分配，用完即释放 |
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### 服务端 vs 客户端端口
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```mermaid
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flowchart LR
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Client["客户端 192.168.1.100:54321"] -->|"SYN"| Server["服务端 10.0.0.1:80"]
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Server -->|"SYN-ACK"| Client
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Client -->|"ACK"| Server
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style Client fill:#DDA0DD,color:#000
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style Server fill:#98FB98,color:#000
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```
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- **服务端端口**：固定且知名（如 80），告诉客户端"我在哪"
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- **客户端端口**：操作系统动态分配（49152–65535），保证连接的唯一标识 `(src_ip, src_port, dst_ip, dst_port)`
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### 常见端口速查
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| 端口 | 协议 | 服务 |
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|------|------|------|
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| 20 | FTP-Data | 文件传输数据通道 |
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| 21 | FTP | 文件传输控制通道 |
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| 22 | SSH | 安全远程登录 |
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| 25 | SMTP | 邮件发送 |
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| 53 | DNS | 域名解析 |
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| 80 | HTTP | Web 网站 |
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| 443 | HTTPS | 加密 Web |
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| 993 | IMAPS | 加密邮件收取 |
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| 3306 | MySQL | 数据库 |
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| 5432 | PostgreSQL | 数据库 |
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| 6379 | Redis | 缓存 |
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| 8080 | HTTP Alt | Web 备用端口 |
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## 四、完整寻址链：从请求到进程
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```mermaid
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flowchart TD
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S["你在浏览器输入 example.com"] -->|"DNS 查询"| A["DNS 返回 93.184.216.34"]
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A -->|"TCP 三次握手"| B["建立 TCP 连接<br/>src:192.168.1.100:54321 → dst:93.184.216.34:80"]
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B -->|"以太网帧头"| C["Dst MAC: router的出口MAC<br/>Src MAC: 本机MAC"]
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C -->|"ARP缓存"| D["如果没缓存,先发ARP请求"]
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D -->|"发送 HTTP GET"| E["Web 服务器的 PID 1234<br/>nginx worker 进程读取数据"]
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style S fill:#DDA0DD,color:#000
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style E fill:#98FB98,color:#000
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```
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**结论：** 三层地址缺一不可——没有 IP 找不到机器，没有 MAC 连不上网线，没有端口不知道该交给哪个进程。
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## 关联笔记
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- [[hhs/NETWORK/01-基础概念/01-OSI与TCP-IP模型对比]] — 三层地址对应 OSI 的不同层级
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- [[hhs/NETWORK/03-网络层/01-IPv4首部与分段重组]] — IP 首部的详细字段与分段机制
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||
- [[hhs/NETWORK/03-网络层/02-CIDR与子网划分]] — CIDR 计算与子网划分实战
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||
- [[hhs/NETWORK/04-传输层/01-TCP段结构与状态机]] — 四元组如何唯一标识 TCP 连接
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