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c/c++linux 深入浅出 TCP/IP 协议栈( 二 )

TCP/IP 协议栈


对于上面的过程，有几个细节问题值得我们思考：
发送者如何知道接收者的MAC地址？
发送者如何知道接收者和自己同属一个子网？
如果接收者和自己不在同一个子网，数据包如何发给对方？
为了解决这些问题，网络层引入了三个协议，分别是IP协议、ARP协议、路由协议 。
【1】IP协议
通过前面的介绍我们知道，MAC地址只与厂商有关，与所处的网络无关，所以无法通过MAC地址来判断两台主机是否属于同一个子网 。
因此，网络层引入了IP协议，制定了一套新地址，使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络，这套地址就是网络地址，也就是所谓的IP地址 。
IP地址目前有两个版本，分别是IPv4和IPv6，IPv4是一个32位的地址，常采用4个十进制数字表示 。IP协议将这个32位的地址分为两部分，前面部分代表网络地址，后面部分表示该主机在局域网中的地址 。由于各类地址的分法不尽相同，以C类地址192.168.24.1为例，其中前24位就是网络地址，后8位就是主机地址 。因此，如果两个IP地址在同一个子网内，则网络地址一定相同 。为了判断IP地址中的网络地址，IP协议还引入了子网掩码，IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址 。
【c/c++linux 深入浅出 TCP/IP 协议栈】由于发送者和接收者的IP地址是已知的(应用层的协议会传入)，因此我们只要通过子网掩码对两个IP地址进行AND运算后就能够判断双方是否在同一个子网了 。
【2】ARP协议
即地址解析协议，是根据IP地址获取MAC地址的一个网络层协议 。其工作原理如下：
ARP首先会发起一个请求数据包，数据包的首部包含了目标主机的IP地址，然后这个数据包会在链路层进行再次包装，生成以太网数据包，最终由以太网广播给子网内的所有主机，每一台主机都会接收到这个数据包，并取出标头里的IP地址，然后和自己的IP地址进行比较，如果相同就返回自己的MAC地址，如果不同就丢弃该数据包 。ARP接收返回消息，以此确定目标机的MAC地址；与此同时，ARP还会将返回的MAC地址与对应的IP地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源 。cmd输入 arp -a 就可以查询本机缓存的ARP数据 。
【3】路由协议
通过ARP协议的工作原理可以发现，ARP的MAC寻址还是局限在同一个子网中，因此网络层引入了路由协议，首先通过IP协议来判断两台主机是否在同一个子网中，如果在同一个子网，就通过ARP协议查询对应的MAC地址，然后以广播的形式向该子网内的主机发送数据包；如果不在同一个子网，以太网会将该数据包转发给本子网的网关进行路由 。网关是互联网上子网与子网之间的桥梁，所以网关会进行多次转发，最终将该数据包转发到目标IP所在的子网中，然后再通过ARP获取目标机MAC，最终也是通过广播形式将数据包发送给接收方 。
而完成这个路由协议的物理设备就是路由器，在错综复杂的网络世界里，路由器扮演者交通枢纽的角色，它会根据信道情况，选择并设定路由，以最佳路径来转发数据包 。
【4】IP数据包
在网络层被包装的数据包就叫IP数据包，IPv4数据包的结构如下图所示：

c/c++linux 深入浅出 TCP/IP 协议栈

文章插图
 
IP数据包由首部和数据两部分组成，首部长度为20个字节，主要包含了目标IP地址和源IP地址，目标IP地址是网关路由的线索和依据；数据部分的最大长度为65515字节，理论上一个IP数据包的总长度可以达到65535个字节，而以太网数据包的最大长度是1500个字符，如果超过这个大小，就需要对IP数据包进行分割，分成多帧发送 。
所以，网络层的主要工作是定义网络地址，区分网段，子网内MAC寻址，对于不同子网的数据包进行路由 。
3、传输层
链路层定义了主机的身份，即MAC地址，而网络层定义了IP地址，明确了主机所在的网段，有了这两个地址，数据包就从可以从一个主机发送到另一台主机 。但实际上数据包是从一个主机的某个应用程序发出，然后由对方主机的应用程序接收 。而每台电脑都有可能同时运行着很多个应用程序，所以当数据包被发送到主机上以后，是无法确定哪个应用程序要接收这个包 。
因此传输层引入了UDP协议来解决这个问题，为了给每个应用程序标识身份，UDP协议定义了端口，同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号，并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息 。这样，当数据包到达主机以后，就可以根据端口号找到对应的应用程序了 。UDP定义的数据包就叫做UDP数据包，结构如下所示：


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