Q: 既然每台设备都有全球唯一的 MAC 地址，为什么网络层还需要 IP 地址？#

这并非简单的冗余，而是为了解决两个核心问题：可扩展性（Scalability） 和 拓扑独立性（Topology Independence）。

Q: 两者都能连接设备，在工程实践与底层逻辑上究竟有何不同？#

虽然现代企业网络中“三层交换机”模糊了界限，但在经典模型里，两者的分工仍然非常清晰。

1）本质区别：你是谁 vs. 你在哪#

2）现实生活中的“路由器”：其实常是三合一#

我们家里常见的“无线路由器”，通常是一个三合一设备：

• 路由器模块：处理 WAN（连接光猫）和 LAN 之间的路由/NAT。
• 交换机模块：背后的 4 个 LAN 口通常就是一个内置交换机，负责家里设备之间的二层互通。
• AP（Access Point）：把有线信号转换成 Wi‑Fi。

3）工程视角对比（Pros & Cons）#

Q: 路由器既然隔离了 LAN 和 WAN，NAT 究竟是如何让内网设备访问互联网的？#

在 IPv4 地址枯竭的背景下，路由器通常默认执行一种“隔离”逻辑：

• 私有 IP（Private IP，例如 192.168.x.x）在公网 不可路由

NAT（网络地址转换） 则是在这条隔离边界上搭起的一座 状态化桥梁。

1）隔离的本质#

互联网骨干网的路由器会配置过滤规则，会直接丢弃源地址或目的地址为私有网段的数据包。

这不是“互联网不讲道理”，而是为了保证路由系统可控：

• 私有地址是可重复使用的
• 如果让它们在公网可路由，会造成全网寻址/路由含义混乱

2）NAT 的桥梁机制（NAPT / PAT）#

NAT 并非简单“转发”，而是对数据包进行 实时篡改与追踪：

• 出站（Outbound）：内网主机访问公网时，路由器将包的 源 IP 改写为 WAN 口的 公网 IP，并将 源端口 替换为一个可用端口。
• 状态记录：路由器维护一张 NAT 映射表（Session Table）：
  • {内网IP:端口} <-> {公网IP:端口}
• 入站（Inbound）：公网回包到达时，路由器查询映射表，把目标恢复为对应的内网主机，从而“穿透隔离”。

你可以把 NAT 理解为：

• 它让多个内网主机“共享一个公网地址”
• 代价是：连接变成了“依赖网关状态”的过程（也会影响端到端特性）

Q: 同样是限制发送速率，流量控制与拥塞控制在机制与层级上有何不同？#

这是最容易混淆的一组概念。

它们的根本区别在于：限制的动机 与 作用范围。

1）横向对比：机制与对象#

• 流量控制（Flow Control）

  • 对象：保护接收方（Receiver）
  • 机制：防止发送方发太快导致接收方缓冲区溢出（Buffer Overflow）
  • 性质：点对点（Point-to-Point）的协商

• 拥塞控制（Congestion Control）

  • 对象：保护网络本身（The Network）
  • 机制：防止过多数据注入网络，导致链路中路由器队列溢出而丢包
  • 性质：全局性（Global）的过程，涉及路径上的多个节点

2）纵向对比：跨层级的“流控/拥塞”手段#

不同层级都有对应的“控制”机制，只是粒度不同：

• Layer 2（链路层）：Ethernet Flow Control

  • 机制：IEEE 802.3x PAUSE 帧
  • 特点：交换机 buffer 快满时向对端发送 PAUSE，强制暂停发送
  • 评价：硬件级、粗粒度“刹车”

• Layer 3（网络层）：ECN / ICMP Source Quench（历史遗留）

  • 机制：显式拥塞通知（ECN）或历史上的源抑制
  • 特点：路由器在 IP 层标记“拥塞经历”，告知端系统路径拥堵

• Layer 4（传输层）：TCP Windowing

  • 机制：滑动窗口（Sliding Window）与拥塞窗口（CWND）
  • 特点：操作系统通过算法（如 Cubic/BBR 等）动态调整发送窗口
  • 评价：软件级、精细化控制，也是最常讨论的范畴