将公共地址和私有地址分开的 IP 协议没有任何内在的东西。对于计算机或路由器来说，它们都是一样的。我们同意，作为一项政策，我们将某些地址范围定义为私有地址——这意味着它们不会通过公共 Internet 路由，因此它们不必是全球唯一的。

第二台主机不能通过仅使用第 3 层（IP 地址和网络地址转换设备）将消息（例如 HTTP 响应）发送回第一台主机是否正确，因为私有网络中的所有私有 IP 地址映射到相同的公共 IP 地址？

你的问题真的没有意义。HTTP 响应被封装在 TCP 段中，所以我不知道如何使用“仅第 3 层”发送响应

最常见的地址转换形式（以及您所指的那种）是网络和端口转换（NAPT）。源地址和端口都被转换为另一个地址/端口（通常是单个 IP 地址，但唯一的端口）。NAPT 设备会跟踪翻译，因此它可以转发返回流量。

当 NAT 不包括端口转换时，原始地址和转换后的地址之间始终存在一对一的关系，而不是多对一的关系。

公共 IPv4 和私有 IPv4 之间的通信需要一种双向工作的 NAT。

主机应用程序使用由传输层协议封装的应用层协议（由网络层协议封装，...）进行通信。他们无法“仅通过第 3 层”进行通信。（取决于您对“沟通”的定义。）