前言

從前一篇文章，我們也知道大概的網絡相關知識，網絡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絡底層的相關知識。

概述網絡中的數據遞交

當用戶發送數據時，將數據向下交給傳輸層，這是處于應用層的操作，應用層可以通過調用傳輸層的接口來編寫特定的應用程序，并且TCP/IP協議棧一般也會包含一些簡單的應用協議如 Telnet 遠程登錄、FTP文件傳輸、SMTP 郵件傳輸協議等，這些協議有自己的首部——APP首部。傳輸層會在接收到上層協議的數據前面加上傳輸層首部（此處以TCP協議為例，圖的傳輸層首部為TCP首部。當然傳輸層協議還有UDP協議），傳輸層會向下交給網絡層。同樣地，網絡層會在數據前面加上網絡層首部（如IP首部），然后網絡層再將數據向下交給鏈路層，數據鏈路層會對數據進行最后一次封裝，即在數據前面加上數據鏈路層首部（此處使用以太網接口為例），然后將數據交給網卡。最后，網卡將數據轉換成物理鏈路上的電平信號，數據就這樣被發送到了網絡中。數據的發送過程，可以概括為TCP/IP的各層協議對數據進行封裝的過程;

當設備的網卡接收到某個數據包后，它會將其放置在網卡的接收緩存中，并告知TCP/IP協議棧內核。然后TCP/IP協議棧內核就開始工作了，它會將數據包從接收緩存中取出，并逐層解析數據包中的協議首部信息，并最終將數據交給某個應用程序。數據的接收過程與發送過程正好相反，可以概括為TCP/IP的各層協議對數據進行解析的過程。

各層協議封裝

鏈路層

以太網

關于以太網的理論我就不介紹了，因為這些理論太多了，有興趣可以自己去網上查看。

鏈路與數據鏈路

我們在這里要明確一下， “鏈路”和“數據鏈路”并不是一回事。

所謂鏈路就是從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線）這是實實在在看得見的，比如我們的網線，而中間沒有任何其他的交換結點。 在進行數據通信時， 兩臺計算機之間的通信路徑往往要經過許多段這樣的鏈路。

數據鏈路則是另一個概念。 這是因為當需要在一條線路上傳送數據時， 除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的協議來控制這些數據的傳輸，這就是我們TCP/IP協議棧要做的事情。 把這些TCP/IP協議棧加到鏈路上，就構成了數據鏈路。

一般我們所說的鏈路層指的都是數據鏈路。下文均采用鏈路層表示。

LwIP中的“鏈路層”

我們知道，網絡接口（如以太網接口）是硬件接口，（提示：網絡接口又可以稱之為網卡，為了統一，下文均采用網卡表示網絡接口），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使用一個數據結構——netif來描述一個網卡，由于網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，LwIP提供統一的接口，比如網卡的初始化，網卡的收發數據，當LwIP底層得到了網絡的數據之后，才會經過層層傳入內核中去處理；同理，當應用層需要發送一個數據包的時候，也是講數據包層層往下遞交，然后也需要調用網卡的發送函數，將數據發送到網絡中，這樣子才能把數據從硬件接口到軟件內核無縫連接起來。因此LwIP移植的關鍵是底層的移植，而很多人就卡在這里，如果底層的處理不好，那么就會導致各種各樣的問題，比如網卡無縫接收太多數據，導致網速過慢，出現掛掉的現象，時常丟包，或者運行一段時間就導致內存泄漏等等等等亂七八糟的問題。

簡單來說，netif是LwIP抽象出來的網卡描述符，它擁有描述設備中的不同網卡，一個設備至少與一個網卡，才能與網絡進行通訊，LwIP協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訪問各種不同的網卡，每個網卡有不同的實現方式，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絡的數據傳輸理解為物流，那么網卡就是不同的運輸工具，我們可以選擇汽車、飛機、輪船等運輸工具，不同的運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輸的工具，這就需要物流公司去記錄這些運輸工具，當有一個包裹需要通過飛機運輸出去，那么物流公司就會將這個包裹通過飛機發送出去，這就好比我們的網卡，需要哪個網卡發送或者接收網絡數據的時候，就會讓對應的網卡去工作。（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，也稱為局域網地址（LAN Address），以太網地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一個用來確認網絡設備位置的地址。在OSI模型中，第三層網絡層負責IP地址，第二層數據鏈接層則負責MAC地址。MAC地址用于在網絡中唯一標示一個網卡，一臺設備若有一或多個網卡，則每個網卡都需要并會有一個唯一的MAC地址。（引用來自維基百科）

可能我們做計算機相關專業的人，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，想要不同主機之間進行通訊，那么就必須有IP地址，那現在為什么我們在鏈路層都需要地址呢？事實上，并不是主機或路由器具有鏈路層地址，而是它們的網卡具有鏈路層地址。因此，一個主機擁有多少個網卡，那么它就有多少個MAC地址。MAC地址實際上就是網卡地址或網卡標識符。當某臺計算機使用某塊網卡后，網卡上的標識符就成為該計算機的MAC地址。MAC地址長度為6字節（48bit），其前3個字節表示組織唯一標志符（Organizationally Unique Identifier，即OUI），由IEEE的注冊管理機構給不同廠家分配的代碼，以區分不同的廠家，后3個字節由廠家自行分配，稱為擴展標識符。同一個廠家生產的網卡中MAC地址后24位是不同的。

IP地址與MAC地址的關系

TCP/IP協議有自己的IP地址，IP地址（IPv4）是一個32位的IP地址，網絡層發送數據包只需要知道目標主機IP地址即可，而以網卡發送數據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地址是沒有關系的，為了讓網絡層只需要知道IP地址就可以完成通信工作，那就需要有一個協議將IP地址映射成為對應的MAC地址，此外還需要考慮IP地址可能是動態的，非常靈活，使用靜態的映射方法是行不通的，所以ARP協議就提供優質的地址動態解析服務，讓32位的IP地址能映射成為48位的MAC地址，讓上層應用與底層完全分離開，這樣子在上層應用就能靈活使用IP地址作為標識，進行通信。

簡單來說，就是計算機中會維護一個ARP緩存表，這個表記錄著IP地址與MAC地址的映射關系，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的ARP緩存表：

ARP緩存表

我給大家舉個例子，IP地址就相當于你家的地址，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）。當你寄快遞的時候，快遞員要確認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）## 數據幀

鏈路層的主體部分是網卡中實現的，在發送的數據幀的時候，協議棧取得由高層傳遞過來的數據報（注意，數據幀與數據報不是一個東西，數據報是形容網絡層及其以上的報文，而數據幀一般形容鏈路層的數據，是一幀一幀的，也是鏈路層的服務——數據成幀），在鏈路層中封裝該數據報，也就是填寫數據幀的各個字段，然后遵循鏈路接入協議將該幀數據進行傳輸；在接收端，控制器接收了整個數據幀，抽取出網絡層的數據報，往上層傳遞。

下面來看看以太網幀：

以太網幀

事實上，前同步碼與幀開始符字段不能算是真正的以太網幀數據結構，他們是在網卡發送的時候自動添加進去的，為了數據的準確傳輸。

以太網幀以一個7字節的前同步碼開始。該前同步碼的值都是規定為10101010；而后緊接著一個字節的幀開始符，其值是10101011。前同步碼字段的作用是實現物理層幀輸入輸出的同步，而幀開始符表示著以太網數據幀的開始，剩下的5個字段才是真正的以太網數據幀結構。

目標MAC地址（6字節） ：這個字段包含目標網卡的MAC地址，當一個網卡收到一個以太網數據幀，如果該數據幀的目標地址是網卡自身的MAC地址或者是MAC廣播地址，它都將該幀的數據字段的內容傳遞給網絡層；如果它收到了具有任何其他MAC地址的幀，則將該數據幀丟棄。

源MAC地址（6字節） ：自身的MAC地址。

類型字段（2字節） ：類型字段允許以太網復用多種網絡層協議。我們只需要記住主機能夠使用除了IP協議以外的其他網絡層協議。事實上，一臺給定的主機可以支持多種網絡層協議，以對不同的應用采用不同的協議。因此，當以太網幀到達網卡中，網卡需要知道它應該將數據字段的內容傳遞給哪個網絡層協議。比如如有IP協議、ARP協議等。

注意了：當這個字段的值小于1518時，它表示后面數據字段的數據長度，當大于1518的時候才表示遞交給哪個協議。

數據字段（46~1500字節） ：這個字段承載了IP數據報。以太網的最大傳輸單元（MTU）是1500字節。這意味著如果IP數據報超過了1500字節，則主機必須將該數據報分片（IPv4支持數據報分片，而IPv6不支持）。數據字段的最小長度是46字節，這意味著如果IP數據報小于46字節，數據報必須被填充到46字節。當采用填充時，傳遞到網絡層的數據包括IP數據報和填充部分，網絡層使用IP數據報首部中的長度字段來去除填充部分。

CRC（4字節） ：CRC字段包含了以太網的差錯校驗信息。

補充 ：所有的以太網都向網絡層提供不可靠的無連接服務，在接收到不對的以太網幀時，或者CRC校驗不通過時，主機將直接丟棄以太網幀，并不會告知發送的一方。