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0. 前言

数据链路层

1. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"

2. 认识以太网

3. 以太网帧格式

如何分离报文和有效载荷？

如何交付，交付给谁？

4. 认识MAC地址

5. 对比理解MAC地址和IP地址

6. 认识MTU

7. MTU对其它协议的影响

7.1 MTU对IP协议的影响

7.2 MTU对UDP协议的影响

7.3 MTU对于TCP协议的影响

8. ARP协议

8.1 ARP协议的作用

8.2 ARP协议的工作流程

8.3 ARP数据报的格式

为何要存在ARP这样的协议呢？

总结一下

9. 总结四层协议

10. 其他重要协议或技术

10.1 DNS(Domain Name System)

为什么要有域名呢？

10.1.1 DNS背景

10.1.2 域名简介

10.2 ICMP协议

10.2.1 ICMP功能

10.2.2 ICMP的报文格式

10.2.3 ping命令

10.2.4 一个值得注意的坑

10.2.5 traceroute命令

11. NAT技术

11.1 NAT技术背景

11.2 NAT IP转换过程

编辑

11.3 NAPT

11.4 NAT技术的缺陷

11.5 NAT和代理服务器

12. 总结

12.1 数据链路层

12.2 网络层

12.3 传输层

12.4 应用层

0. 前言

此博客为博主以后复习的资料，所以大家放心学习，总结的很全面，每段代码都给大家发了出来，大家如果有疑问可以尝试去调试。

大家一定要认真看图，图里的文字都是精华，好多的细节都在图中展示、写出来了，所以大家一定要仔细哦~

感谢大家对我的支持，感谢大家的喜欢，兔7 祝大家在学习的路上一路顺利，生活的路上顺心顺意~！

数据链路层

用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

1. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"

IP：提供一种能力，将数据从A主机跨网络送到B主机(机器->网络->主机)

而TCP：为这个能力提供了进程到进程的可靠性机制(丢包重传、流量控制、拥塞控制、滑动窗口...)

但是数据在使用IP进行数据转发的时候，一定是需要先将数据交付给下一跳主机，需要现有将数据转发给直接相连的下一跳主机，直接相连说明发送主机和目标下一跳一定和我属于同一个网段：本质一定是局域网通信范畴！！当在局域网中要进行发送到下一跳的时候是通过目的IP进行决策的！

2. 认识以太网

不同的局域网它们采用的网络通信制式是不一样的(以太网、令牌环网、无线LAN)

以太网是基于碰撞域和碰撞检测的局域网通信标准。

"以太网" 不是一种具体的网络，而是一种技术标准。既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。
例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等。例如以太网中的网线必须使用双绞线。传输速率有10M，100M，1000M等。
以太网是当前应用最广泛的局域网技术。和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等。

首先，在局域网上有一个唯一的编号：MAC地址！

这个红框里的就算MAC地址。

3. 以太网帧格式

如何分离报文和有效载荷？

通过定长报头，前面的14个字节和后面的4个字节是固定的。

如何交付，交付给谁？

通过目的地址和类型来决定是发送数据报、ARP、RARP。

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址)，长度是48位，是在网卡出厂时固化的。
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。
帧末尾是CRC校验码。

所以其实它是可以知道自己发送的报文是否完整，通过CRC校验码来判断，就好像你自己发送出去的，自己肯定是可以接收到的，然后接收到再校验，然后丢弃。

4. 认识MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
在网卡出厂时就确定了，不能修改。mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址，可能会冲突。也有些网卡支持用户配置mac地址)

5. 对比理解MAC地址和IP地址

IP地址描述的是路途总体的起点和终点。
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点。

6. 认识MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。
最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同的网络类型有不同的MTU。
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片(fragmentation)。
不同的数据链路层标准的MTU是不同的。

7. MTU对其它协议的影响

因为这里我们在前一个博客网络层的时候说过了，所以这里将概念总结一下。

7.1 MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签。
每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的。
每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0, 表示允许分片，第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包，是的话置为0，否则置为1)。
到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层。
一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据。

7.2 MTU对UDP协议的影响

让我们回顾一下UDP协议:

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部))，那么就会在网络层分成多个IP数据报。
这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了。

7.3 MTU对于TCP协议的影响

让我们再回顾一下TCP协议：

TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS(Max Segment Size)。
TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。
最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的 MTU)。
双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。
然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)。

MSS和MTU的关系：

数据包在网络中不断的在转发的时候，目标IP地址是不变的，用来支持路由规则，而我们的源mac地址和目的mac地址，大概率是一定不断在变化的。因为我们上一跳主机和下一跳主机是不断变化的。

而且在转发的时候，肯定是在不断的解包、组装。因为目标IP是不变的，所以站在IP层，我们所有的设备看到的内容是一样的。

8. ARP协议

A主机把数据送到B主机，为什么选择这个路径，是由IP决定的。
如何选择这条路径是通过目的IP地址查路由表。
数据在途中出现丢包的问题IP不处理，而是通过发送方的TCP处理。
而数据要经过路径转发，第一件事情先要将数据交付给下一跳，然后下一跳再交付给下一跳...，而它们可以交付给下一跳是因为它们处在同一局域网，它们用的就是mac帧。
因为mac帧需要目的、源IP地址，所以再进行下一跳的时候，目的、源IP地址是不断变化的。

如果此时数据到了路由器D，这时要交付给主机B，这时肯定是可以交付的，因为它们是处在同一个局域网中的，但是先不要着急，因为它们之间要想交付，是要通过mac帧进行交付的。所以也就必须要知道目的地址和源地址，源地址我们是知道的，但是我们是不知道目的地址的。报文到达目的网络之后，只知道目标主机的IP地址，所以没有办法封装MAC帧。

所以此时就要通过IP地址获得MAC地址，这种策略就叫做ARP协议！

虽然我们在这里介绍ARP协议，但是需要强调，ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。

8.1 ARP协议的作用

ARP协议建立了主机 IP地址和 MAC地址的映射关系。

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址。
数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。

8.2 ARP协议的工作流程

源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)。
目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟)，如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

8.3 ARP数据报的格式

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。
硬件类型指链路层网络类型，1为以太网。
协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址。
硬件地址长度对于以太网地址为6字节。
协议地址长度对于和IP地址为4字节。
op字段为1表示ARP请求。op字段为2表示ARP应答。

发送方构建ARP请求，这个以太网地址会以FFFFFF的形式，也就是广播发到局域网中，每台主机都能识别接收(将报头和有效载荷分离)，根据MAC帧类型(0806)，交付给每个主机的ARP层，因为前面的几个填的基本是固定的，所以就不说了，然后先看op，是ARP请求还是应答，如果是1的话，就看目的IP地址，如果不说自己的IP地址就丢弃，如果是自己的IP地址，那么就保留这个报文，将op改为2，将A主机的mac地址和ip地址填到接收端(目的)，然后发送端的mac和ip填成自己的，接下来就要将这个报文向下交付给mac帧封装。

封装完后的以太网目的地址就是MA，以太网源地址就是MB，有的伙伴可能感觉有点怪，MAC帧的有效载荷里不是有这样的字段么，为什么封装的时候还要填上这样的相同的字段呢？不是冗余的么？其实不能这么看，因为封装的MAC帧协议的，MAC帧的有效载荷是ARP协议的，这是两层协议，虽然在一个大层里，但是依然有上下级关系，它们两个是互不影响的。

这次在局域网中发消息的时候所有人都可以收到，只不过这次发送数据的时候，所有人收到消息的时候，首先辨别的是以太网的目的地址，发现不是刚刚的FFFFFF了，证明它不是广播，而是一个确定的mac地址，所有的主机立马丢弃这个mac帧，也就是所有的主机不分析是ARP还是什么数据，总之这个消息不是发给自己的，只有A主机会收到并保留这个数据。

也就是我们第一次发起ARP的时候是以广播的形式，因为不知道目的主机的mac地址，但是到对端的时候，对端知道是谁发起的，所以后面的响应是1对1的。

然后主机A收到后先看帧类型，这是一个ARP请求/应答，因为MAC帧层不能解析，所以交付给上层ARP，然后再先看op字段，这也就知道了为什么先要看op：

因为任何一台主机都有可能被发起ARP，也有可能受到ARP应答，也就是如果op是1的话就证明是别人不知道我的mac，向我发起的ARP，如果op是2的话就证明这个ARP应答是我之前发起的，这是对我发起的ARP做出的应答。所以为了知道这个ARP是干嘛的，就必须先要看这个字段。

此时，主机A就可以拿到ARP中的发送端mac地址！

所以！！！主机A给主机B发消息，如果只知道主机B的IP，是可以通过ARP协议拿到主机B的MAC地址的，拿到之后就可以之间单向的向主机B发消息了，此时就可以封装完整的MAC帧。

为何要存在ARP这样的协议呢？

总结一下：我们在同一个局域网中，要给对方发消息，必须得知道对方的MAC地址，但是事实上，大部分情况，只能知道IP地址，所以此时我们就要通过ARP协议将我们知道的IP地址转化为MAC地址。

那么我们为什么非要知道对方的MAC地址呢？因为我们必须要封装MAC帧才能在局域网中发送数据。我们如果用FFFFFF广播的话，对端也是可以收到的，那么为什么要这么复杂，非要知道对端的MAC帧才能让对方处理呢？理论上我们FFFFFF，每个主机都能收到，包括目的主机，可是很尴尬，因为如果是ARP还好，因为它知道要交付上层，然后有IP还知道这个报文是交付给谁的，那么如果是IP报文呢？当然此时可以通过目的IP地址可以确定这个报文是发给我的，确实可以这样，但是实际上这个报文早就应该被丢弃，不应该让其它的主机到了IP层才判定这个报文不是给自己的，它不应该成为主流，它应该在MAC帧层就应该判断这个报文是不是发给我的，要不然我要这个MAC地址干嘛呢。也就是只要交到IP层就知道这个报文是发给我的。

所以如果用广播的形式，那么这个认证的工作还要IP去做，IP能做还好，如果做不了呢？所以它本身就是对系统资源就是一种浪费，因为所有的主机都在发消息，你直接在MAC帧层去处理吧，不要向上交付了。所以除了非广播不可是事情要去广播之外就可以了，不要每次都交付给上层。

所以FFFFFF要是在技术角度上要想做到这个效果是可以做到的，只不过我们不这样干，因为第一：我们必须要遵守这样的规则。第二：这也不符合数据转发的语义，我们不是要从主机A将数据交付给主机B么？那么怎么解释除了主机B之外，其它的主机也可以接收到，这就不是单向发送了。

我们刚才说的仅仅是数据包到了目标主机要经过ARP拿到目标主机的MAC地址，但是路由器A要想跳转到路由器B也要进行MAC帧封装...

所以不要仅仅认为ARP只会在->到了目标网络，这个路口路由器找不到主机的时候才需要ARP，实际上在整个网络链路中，随时随地，每个局域网都有可能产生ARP请求。也就是我们的主机A可能不认识路由器A了，就有可能发送ARP请求，找到路由器A...

那么可不可能主机A发送对路由器B的ARP呢？也就是跳过了路由器A？决对不可能！！！也不可以，因为ARP是属于局域网通信的协议标准。

总结一下

ARP是根据目标的IP地址获得目标的MAC地址。

RARP是逆地址解析协议，将MAC地址转化为IP地址。

所以我们知道RARP操作起来要比ARP简单，因为我们已经知道了目标的MAC地址，所以我们只要给对方发请求，请求的内容就是告诉我你的IP地址就可以了。

9. 总结四层协议

10. 其他重要协议或技术

10.1 DNS(Domain Name System)

DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

网络真实socket通信的过程是和域名没有关系的，用的本质都是IP，所以我们用域名去搜索的时候一定是通过域名通过网络服务转化成了IP，这个把域名转IP的过程就叫做DNS。

DNS底层使用的协议是UDP。

DNS是通过向域名解析服务器发起UDP请求来解析自己的域名，换句话说，浏览器一般第一件事情要做的就是域名解析(不考虑缓存)！

为什么要有域名呢？

ip是数字，人天生对数字不敏感，我们更擅长数量字符串。但是其实即使有了域名，也不是很好记。所以就有了中文域名，比方说我们要到百度，本身我们应该搜索www.baidu.com，但是此时我直接搜"百度"就可以出来百度。

10.1.1 DNS背景

TCP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序。但是IP地址不方便记忆。于是人们发明了一种叫主机名的东西，是一个字符串，并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系。

最初，通过互连网信息中心(SRI-NIC)来管理这个hosts文件的。

如果一个新计算机要接入网络, 或者某个计算机IP变更，都需要到信息中心申请变更hosts文件。
其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网。

这样就太麻烦了，于是产生了DNS系统。

一个组织的系统管理机构，维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系。
如果新计算机接入网络。将这个信息注册到数据库中。
用户输入域名的时候，会自动查询DNS服务器，由DNS服务器检索数据库，得到对应的IP地址。

至今，我们的计算机上仍然保留了hosts文件。在域名解析的过程中仍然会优先查找hosts文件的内容。

10.1.2 域名简介

主域名是用来识别主机名称和主机所属的组织机构的一种分层结构的名称。

www.baidu.com

域名使用 . 连接

com: 一级域名，表示这是一个企业域名。同级的还有 "net"(网络提供商), "org"(非盈利组织) 等。
baidu: 二级域名，公司名。
www: 只是一种习惯用法，之前人们在使用域名时，往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式，来表示主机支持的协议。

域名解析过程大家有兴趣可以去了解一下，这里博主也不知道。

10.2 ICMP协议

ICMP协议是一个网络层协议。

一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通。但是IP协议并不提供可靠传输。如果丢包了，IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。

10.2.1 ICMP功能

ICMP正是提供这种功能的协议; ICMP主要功能包括:

确认IP包是否成功到达目标地址。
通知在发送过程中IP包被丢弃的原因。
ICMP也是基于IP协议工作的。但是它并不是传输层的功能，因此人们仍然把它归结为网络层协议。
ICMP只能搭配IPv4使用。如果是IPv6的情况下，需要是用ICMPv6。

10.2.2 ICMP的报文格式

ICMP大概分为两类报文:

一类是通知出错原因
一类是用于诊断查询

10.2.3 ping命令

注意，此处 ping 的是域名，而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址。
ping命令不光能验证网络的连通性，同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live，生存周期)。
ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端。
对端接收到之后，会返回一个ICMP Echo Reply。

这个ping命令实际上就是ICMP回复。

我们实际用ICMP做管理操作的时候两台主机上的数据是不会经过TCP/UDP的，而是直接从应用层直接到ICMP/IGMP的。甚至接收方的上层都不知道有过这样的操作。

10.2.4 一个值得注意的坑

有些面试官可能会问：telnet是23端口，ssh是22端口，那么ping是什么端口？

千万注意！！！这是面试官的圈套。

ping命令基于ICMP，是在网络层。而端口号，是传输层的内容。在ICMP中根本就不关注端口号这样的信息。

10.2.5 traceroute命令

也是基于ICMP协议实现，它能够打印从你的主机到目标主机一共经过了多少个路由器。

11. NAT技术

路由器的功能：

路由转发
DHCP IP地址管理----组建局域网
NAT技术

11.1 NAT技术背景

之前我们讨论了，IPv4协议中，IP地址数量不充足的问题 NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能。

NAT能够将私有IP对外通信时转为"全局IP"。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法。
很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP。
全局IP要求唯一，但是私有IP不需要。在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的。

11.2 NAT IP转换过程

NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37。
NAT路由器收到外部的数据时。又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10。
在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表。
当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系。

11.3 NAPT

那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系。

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时就会生成这个表项。在断开连接后，就会删除这个表项。

正常的转换我们很容易理解，就如图中所示，用NAPT：NAT转化表去建立映射，在发送和响应的时候进行转化即可。

但是NAT转化的时候，除了替换成路由器的WAN口IP之外，如果必要(大部分情况)，源端口号甚至也会被替换掉。就如上图所示，同一局域网不同主机发送到同一个对端，如果都用同一个IP、端口，在响应回来的时候转化的时候就会出现问题，所以如果出现了这种情况，1025端口被占用，就也会转化端口。

11.4 NAT技术的缺陷

由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

无法从NAT外部向内部服务器建立连接。
装换表的生成和销毁都需要额外开销。
通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开。

11.5 NAT和代理服务器

路由器往往都具备NAT设备的功能，通过NAT设备进行中转，完成子网设备和其他子网设备的通信过程。

代理服务器看起来和NAT设备有一点像。客户端像代理服务器发送请求，代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器。服务器返回结果后，代理服务器又把结果回传给客户端。

那么NAT和代理服务器的区别有哪些呢？

从应用上讲，NAT设备是网络基础设备之一，解决的是IP不足的问题。代理服务器则是更贴近具体应用，比如通过代理服务器进行翻墙，另外像迅游这样的加速器，也是使用代理服务器。
从底层实现上讲，NAT是工作在网络层，直接对IP地址进行替换。代理服务器往往工作在应用层。
从使用范围上讲，NAT一般在局域网的出口部署，代理服务器可以在局域网做，也可以在广域网做，也可以跨网。
从部署位置上看，NAT一般集成在防火墙，路由器等硬件设备上，代理服务器则是一个软件程序，需要部署在服务器上。

代理服务器是一种应用比较广的技术。

翻墙：广域网中的代理
负载均衡：局域网中的代理

代理服务器又分为正向代理和反向代理。

例子：

花王尿不湿是一个很经典的尿不湿品牌，产自日本。我自己去日本买尿不湿比较不方便，但是可以让我在日本工作的表姐去超市买了快递给我。此时超市看到的买家是我表姐，我的表姐就是 "正向代理"。后来找我表姐买尿不湿的人太多了，我表姐觉得天天去超市太麻烦，干脆去超市买了一大批尿不湿屯在家里，如果有人来找她代购，就直接把屯在家里的货发出去，而不必再去超市。此时我表姐就是 "反向代理"。

我们知道正向代理在公司内部会查到公司内部人员访问"非法网站"，会检测内部人员的上网情况，不排除有些公司会这样，但是其实正向代理不是只这么邪恶，它的好处是可以加速资源访问。比方说这个局域网内都要访问抖音，这样本需要贯穿整个网络，会比较慢。所以它可以将抖音这个服务缓存到对内服务器上，这样内部就不需要访问外网了，直接在内网就可以访问，这样就可以加速资源访问。

12. 总结

12.1 数据链路层

数据链路层的作用：两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递数据。
以太网是一种技术标准。既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如: 规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等。
以太网帧格式。
理解mac地址。
理解arp协议。
理解MTU。

12.2 网络层

网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
理解IP协议格式。
了解网段划分方法。
理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案。
理解私有IP和公网IP。
理解网络层的IP地址路由过程。理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地。
理解IP数据包分包的原因。
了解ICMP协议。
了解NAT设备的工作原理/

12.3 传输层

传输层的作用：负责数据能够从发送端传输接收端。
理解端口号的概念。认识UDP协议，了解UDP协议的特点。
认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性。理解TCP协议的状态转化。
掌握TCP的连接管理，确认应答、超时重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延迟应答、捎带应答特性。
理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
能够基于UDP实现可靠传输。
理解MTU对UDP/TCP的影响。