前言

從前一篇文章，我們也知道大概的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識，網(wǎng)絡(luò)這個系列文章就從底層往頂層講解，本篇文章就來接觸一下網(wǎng)絡(luò)底層的相關(guān)知識。

概述網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)遞交

當(dāng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)向下交給傳輸層，這是處于應(yīng)用層的操作，應(yīng)用層可以通過調(diào)用傳輸層的接口來編寫特定的應(yīng)用程序，并且TCP/IP協(xié)議棧一般也會包含一些簡單的應(yīng)用協(xié)議如 Telnet 遠(yuǎn)程登錄、FTP文件傳輸、SMTP 郵件傳輸協(xié)議等，這些協(xié)議有自己的首部——APP首部。傳輸層會在接收到上層協(xié)議的數(shù)據(jù)前面加上傳輸層首部（此處以TCP協(xié)議為例，圖的傳輸層首部為TCP首部。當(dāng)然傳輸層協(xié)議還有UDP協(xié)議），傳輸層會向下交給網(wǎng)絡(luò)層。同樣地，網(wǎng)絡(luò)層會在數(shù)據(jù)前面加上網(wǎng)絡(luò)層首部（如IP首部），然后網(wǎng)絡(luò)層再將數(shù)據(jù)向下交給鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層會對數(shù)據(jù)進(jìn)行最后一次封裝，即在數(shù)據(jù)前面加上數(shù)據(jù)鏈路層首部（此處使用以太網(wǎng)接口為例），然后將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)卡。最后，網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理鏈路上的電平信號，數(shù)據(jù)就這樣被發(fā)送到了網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)的發(fā)送過程，可以概括為TCP/IP的各層協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝的過程;

當(dāng)設(shè)備的網(wǎng)卡接收到某個數(shù)據(jù)包后，它會將其放置在網(wǎng)卡的接收緩存中，并告知TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)核。然后TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)核就開始工作了，它會將數(shù)據(jù)包從接收緩存中取出，并逐層解析數(shù)據(jù)包中的協(xié)議首部信息，并最終將數(shù)據(jù)交給某個應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)的接收過程與發(fā)送過程正好相反，可以概括為TCP/IP的各層協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的過程。

各層協(xié)議封裝

鏈路層

以太網(wǎng)

關(guān)于以太網(wǎng)的理論我就不介紹了，因?yàn)檫@些理論太多了，有興趣可以自己去網(wǎng)上查看。

鏈路與數(shù)據(jù)鏈路

我們在這里要明確一下， “鏈路”和“數(shù)據(jù)鏈路”并不是一回事。

所謂鏈路就是從一個結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路（有線或無線）這是實(shí)實(shí)在在看得見的，比如我們的網(wǎng)線，而中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時， 兩臺計算機(jī)之間的通信路徑往往要經(jīng)過許多段這樣的鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路則是另一個概念。 這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時， 除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸，這就是我們TCP/IP協(xié)議棧要做的事情。 把這些TCP/IP協(xié)議棧加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。

一般我們所說的鏈路層指的都是數(shù)據(jù)鏈路。下文均采用鏈路層表示。

LwIP中的“鏈路層”

我們知道，網(wǎng)絡(luò)接口（如以太網(wǎng)接口）是硬件接口，（提示：網(wǎng)絡(luò)接口又可以稱之為網(wǎng)卡，為了統(tǒng)一，下文均采用網(wǎng)卡表示網(wǎng)絡(luò)接口），LwIP是軟件，那么怎么讓硬件與軟件無縫連接起來呢？而且，網(wǎng)卡又有多種多樣，怎么能讓LwIP使用同樣的軟件程序能兼容不同的硬件呢？

因此LwIP使用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——netif來描述一個網(wǎng)卡，由于網(wǎng)卡是直接與硬件打交道的，硬件不同則處理基本是不同的，比如網(wǎng)卡的有各種各樣的芯片，所以必須由我們自己提供最底層接口函數(shù)，LwIP提供統(tǒng)一的接口，比如網(wǎng)卡的初始化，網(wǎng)卡的收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)LwIP底層得到了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)之后，才會經(jīng)過層層傳入內(nèi)核中去處理；同理，當(dāng)應(yīng)用層需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的時候，也是講數(shù)據(jù)包層層往下遞交，然后也需要調(diào)用網(wǎng)卡的發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，這樣子才能把數(shù)據(jù)從硬件接口到軟件內(nèi)核無縫連接起來。因此LwIP移植的關(guān)鍵是底層的移植，而很多人就卡在這里，如果底層的處理不好，那么就會導(dǎo)致各種各樣的問題，比如網(wǎng)卡無縫接收太多數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)速過慢，出現(xiàn)掛掉的現(xiàn)象，時常丟包，或者運(yùn)行一段時間就導(dǎo)致內(nèi)存泄漏等等等等亂七八糟的問題。

簡單來說，netif是LwIP抽象出來的網(wǎng)卡描述符，它擁有描述設(shè)備中的不同網(wǎng)卡，一個設(shè)備至少與一個網(wǎng)卡，才能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，LwIP協(xié)議棧可以使用多個不同的接口，而源碼中的ethernetif.c文件則提供了netif訪問各種不同的網(wǎng)卡，每個網(wǎng)卡有不同的實(shí)現(xiàn)方式，我們呢一般只需要修改ethernetif.c文件就行了，但是本篇文章不講移植。（此處用LwIP協(xié)議棧講解，本系列教程均基于LwIP）

舉個例子：我們可以理解將整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸理解為物流，那么網(wǎng)卡就是不同的運(yùn)輸工具，我們可以選擇汽車、飛機(jī)、輪船等運(yùn)輸工具，不同的運(yùn)輸工具速度是不一樣的，但是對于一個物流公司而言，可能同時存在很多種運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，這就需要物流公司去記錄這些運(yùn)輸工具，當(dāng)有一個包裹需要通過飛機(jī)運(yùn)輸出去，那么物流公司就會將這個包裹通過飛機(jī)發(fā)送出去，這就好比我們的網(wǎng)卡，需要哪個網(wǎng)卡發(fā)送或者接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時候，就會讓對應(yīng)的網(wǎng)卡去工作。（可能不太貼切）

MAC地址簡介

MAC地址（英語：Media Access Control Address），直譯為媒體訪問控制地址，也稱為局域網(wǎng)地址（LAN Address），以太網(wǎng)地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一個用來確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置的地址。在OSI模型中，第三層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)IP地址，第二層數(shù)據(jù)鏈接層則負(fù)責(zé)MAC地址。MAC地址用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)示一個網(wǎng)卡，一臺設(shè)備若有一或多個網(wǎng)卡，則每個網(wǎng)卡都需要并會有一個唯一的MAC地址。（引用來自維基百科）

可能我們做計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的人，多多少少都會知道IP地址、MAC地址（也稱之為鏈路層地址）。在前一篇文章說了，想要不同主機(jī)之間進(jìn)行通訊，那么就必須有IP地址，那現(xiàn)在為什么我們在鏈路層都需要地址呢？事實(shí)上，并不是主機(jī)或路由器具有鏈路層地址，而是它們的網(wǎng)卡具有鏈路層地址。因此，一個主機(jī)擁有多少個網(wǎng)卡，那么它就有多少個MAC地址。MAC地址實(shí)際上就是網(wǎng)卡地址或網(wǎng)卡標(biāo)識符。當(dāng)某臺計算機(jī)使用某塊網(wǎng)卡后，網(wǎng)卡上的標(biāo)識符就成為該計算機(jī)的MAC地址。MAC地址長度為6字節(jié)（48bit），其前3個字節(jié)表示組織唯一標(biāo)志符（Organizationally Unique Identifier，即OUI），由IEEE的注冊管理機(jī)構(gòu)給不同廠家分配的代碼，以區(qū)分不同的廠家，后3個字節(jié)由廠家自行分配，稱為擴(kuò)展標(biāo)識符。同一個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡中MAC地址后24位是不同的。

IP地址與MAC地址的關(guān)系

TCP/IP協(xié)議有自己的IP地址，IP地址（IPv4）是一個32位的IP地址，網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)包只需要知道目標(biāo)主機(jī)IP地址即可，而以網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)則必須知道對方的硬件MAC地址，同時IP地址的分配與硬件MAC地址是沒有關(guān)系的，為了讓網(wǎng)絡(luò)層只需要知道IP地址就可以完成通信工作，那就需要有一個協(xié)議將IP地址映射成為對應(yīng)的MAC地址，此外還需要考慮IP地址可能是動態(tài)的，非常靈活，使用靜態(tài)的映射方法是行不通的，所以ARP協(xié)議就提供優(yōu)質(zhì)的地址動態(tài)解析服務(wù)，讓32位的IP地址能映射成為48位的MAC地址，讓上層應(yīng)用與底層完全分離開，這樣子在上層應(yīng)用就能靈活使用IP地址作為標(biāo)識，進(jìn)行通信。

簡單來說，就是計算機(jī)中會維護(hù)一個ARP緩存表，這個表記錄著IP地址與MAC地址的映射關(guān)系，我們可以通過在電腦的控制臺通過arp -a指令查看一下我們自己計算機(jī)的ARP緩存表：

ARP緩存表

我給大家舉個例子，IP地址就相當(dāng)于你家的地址，MAC就是你的身份證，你的身份證是全國唯一的，這沒疑問吧，但你的地址是可以跟別人重疊的（你家人也是住在你家）。當(dāng)你寄快遞的時候，快遞員要確認(rèn)這個快遞是從你家寄出去的，是你本人親自寄出去的，同樣的，當(dāng)你收快遞的時候，快遞員也是先電話找到你，然后必須是你本人才能拿到快遞，再拿回家。（可能也不貼切，將就理解一下）## 數(shù)據(jù)幀

鏈路層的主體部分是網(wǎng)卡中實(shí)現(xiàn)的，在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的時候，協(xié)議棧取得由高層傳遞過來的數(shù)據(jù)報（注意，數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)報不是一個東西，數(shù)據(jù)報是形容網(wǎng)絡(luò)層及其以上的報文，而數(shù)據(jù)幀一般形容鏈路層的數(shù)據(jù)，是一幀一幀的，也是鏈路層的服務(wù)——數(shù)據(jù)成幀），在鏈路層中封裝該數(shù)據(jù)報，也就是填寫數(shù)據(jù)幀的各個字段，然后遵循鏈路接入?yún)f(xié)議將該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；在接收端，控制器接收了整個數(shù)據(jù)幀，抽取出網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報，往上層傳遞。

下面來看看以太網(wǎng)幀：

以太網(wǎng)幀

事實(shí)上，前同步碼與幀開始符字段不能算是真正的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們是在網(wǎng)卡發(fā)送的時候自動添加進(jìn)去的，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

以太網(wǎng)幀以一個7字節(jié)的前同步碼開始。該前同步碼的值都是規(guī)定為10101010；而后緊接著一個字節(jié)的幀開始符，其值是10101011。前同步碼字段的作用是實(shí)現(xiàn)物理層幀輸入輸出的同步，而幀開始符表示著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的開始，剩下的5個字段才是真正的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

目標(biāo)MAC地址（6字節(jié)） ：這個字段包含目標(biāo)網(wǎng)卡的MAC地址，當(dāng)一個網(wǎng)卡收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，如果該數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址是網(wǎng)卡自身的MAC地址或者是MAC廣播地址，它都將該幀的數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容傳遞給網(wǎng)絡(luò)層；如果它收到了具有任何其他MAC地址的幀，則將該數(shù)據(jù)幀丟棄。

源MAC地址（6字節(jié)） ：自身的MAC地址。

類型字段（2字節(jié)） ：類型字段允許以太網(wǎng)復(fù)用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。我們只需要記住主機(jī)能夠使用除了IP協(xié)議以外的其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。事實(shí)上，一臺給定的主機(jī)可以支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，以對不同的應(yīng)用采用不同的協(xié)議。因此，當(dāng)以太網(wǎng)幀到達(dá)網(wǎng)卡中，網(wǎng)卡需要知道它應(yīng)該將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容傳遞給哪個網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。比如如有IP協(xié)議、ARP協(xié)議等。

注意了：當(dāng)這個字段的值小于1518時，它表示后面數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)長度，當(dāng)大于1518的時候才表示遞交給哪個協(xié)議。

數(shù)據(jù)字段（46~1500字節(jié)） ：這個字段承載了IP數(shù)據(jù)報。以太網(wǎng)的最大傳輸單元（MTU）是1500字節(jié)。這意味著如果IP數(shù)據(jù)報超過了1500字節(jié)，則主機(jī)必須將該數(shù)據(jù)報分片（IPv4支持?jǐn)?shù)據(jù)報分片，而IPv6不支持）。數(shù)據(jù)字段的最小長度是46字節(jié)，這意味著如果IP數(shù)據(jù)報小于46字節(jié)，數(shù)據(jù)報必須被填充到46字節(jié)。當(dāng)采用填充時，傳遞到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包括IP數(shù)據(jù)報和填充部分，網(wǎng)絡(luò)層使用IP數(shù)據(jù)報首部中的長度字段來去除填充部分。

CRC（4字節(jié)） ：CRC字段包含了以太網(wǎng)的差錯校驗(yàn)信息。

補(bǔ)充 ：所有的以太網(wǎng)都向網(wǎng)絡(luò)層提供不可靠的無連接服務(wù)，在接收到不對的以太網(wǎng)幀時，或者CRC校驗(yàn)不通過時，主機(jī)將直接丟棄以太網(wǎng)幀，并不會告知發(fā)送的一方。