Linux网络编程之网络协议概述（一）

目录
1. 分层模型
2. 物理层
3. 链路层
4. 网络层
5. 传输层
6. 应用层

1. 分层模型

越接近下面的层，越靠近硬件，越上面的层，越接近用户。

网络的每一层都定义了许多协议，有个协议的总称，叫做“tcp/ip协议”，不仅仅包括TCP和IP协议，还包括了其他协议。

2. 物理层

物理层是将电脑连接起来的物理手段，作用就是负责传送0/1的电信号。

3. 链接层

因为0/1信号是没有意义的，必须规定他的解读方式。链接层负责规定了0和1电信号的分组方式。

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做“以太网”（Ethernet）的协议，占据了主导地位。

以太网协议：以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。

标头：包含数据包的一些说明项，如发送者，接受者，数据类型等。
数据：数据包的具体内容。

在这里，发送者和接受者是怎么标识的呢，是使用MAC地址来标识的，而MAC地址实际上就是网卡上的地址，这个地址是全球唯一的。

标头的两个MAC地址占了12字节，类型占了2个字节，FCS(帧校验序列)占了4个字节，所以标头固定占18字节，而数据为46-1500字节。

因此，如果两个网卡要进行通信，那么发送方必须知道接收方的MAC地址，那么怎么才能知道另一个网卡的MAC地址呢？答案是APR协议，APR是网络层协议，这里先不介绍，我们聊一下有了MAC地址如何把数据包准确送到接收方。

这里采用的是广播的方式，A向子网络发送一个数据包，子网络中的每台计算机都会受到这个包，计算机对比这个帧中的目标MAC地址是否一致，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。

4. 网络层

我们知道一个网卡知道另一个网卡的地址就可以进行通信，而且发送方是采用广播的方式，因为不可能广播到所有计算机，所以网络层定义了子网络，发送方只能发送到子网络中。

IP协议：网络层采用IP协议来定义网络地址。

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个 IP 地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

单单从 IP 地址，我们无法判断网络部分。以 172.16.254.1 为例，它的网络部分，到底是前 24 位，还是前 16 位，甚至前 28 位，从 IP 地址上是看不出来的,要用到子网掩码。

所谓“子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于 IP 地址，也是一个 32 位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0，并且1和0分别连续。

比如，IP 地址 172.16.254.1，如果已知网络部分是前 24 位，主机部分是后 8 位，那么子网络掩码就是 11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是 255.255.255.0。

因此我们需要重新封装一下帧，这里我们只需要把IP数据包直接放到以太网数据包的数据部分，再把IP和一些校验信息放到以太网数据包的标头部分就可以了。

ARP协议：之前留了一个悬念，ARP协议就是发送方找到接收方的mac地址的，它是怎么做到的呢？

首先每台机器维持一个ARP高速缓存表，用来记录IP和MAC地址的映射。

如果目的IP和自己在同一个网段：
- 当IP层的ARP高速缓存表中存在目的IP对应的MAC地址时，则调用网络接口send函数（参数为IP Packet和目的MAC））将数据提交给网络接口，网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装，并发送出去；
  - 当IP层的ARP高速缓存表中不存在目的IP对应的MAC地址时，发送ARP广播请求目的IP的MAC，收到ARP应答答之后，将应答中的IP地址，对应的MAC对缓存在本地ARP高速缓存表中，然后调用网络接口send函数（参数为IP Packet和目的MAC））将数据提交给网络接口，网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装，并发送出去；。
如果目的IP地址和自己不在同一个网段，就需要将包发送给默认网关，这需要知道默认网关的MAC地址：
- 当IP层的ARP高速缓存表中存在默认网关对应的MAC地址时，则调用网络接口send函数（参数为IP Packet和默认网关的MAC）将数据提交给网络接口，网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC
  　　
  - 当IP层的ARP高速缓存表中不存在默认网关对应的MAC地址时，发送ARP广播请求默认网关的MAC，收到ARP应答之后，将应答之中的<默认网关地址，对应的MAC>对缓存在本地ARP高速缓存表中,调用网络接口send函数（参数为IP Packet和默认网关的MAC）将数据提交给网络接口，网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装，并发送出去。

5.传输层

为什么要有传输层这个东西呢？原因是数据包如果发送到了你的电脑，你怎么知道是网页的内容还是qq音乐的内容？因此，我们需要一个参数，用来标识这个数据包属于哪一个进程，这个参数就是端口。

端口是0-65535之间的一个整数，16个bit，其中0-1023被系统占用，所以可以把传输层理解成端口到端口的连接。

其中UDP协议和TCP协议都是传输层协议，其实就是在ip数据包中加入端口信息，UDP协议实现起来比较简单，因为IP协议本来就是不可靠交付，一旦一个数据包发出，无法知道对方是否收到。

而TCP可以理解成有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求得到确认。如果有一个数据包遗失，但是收不到确认，就需要重传了。

6.应用层

应用层的作用，就是规定应用程序的数据格式。

TCP 协议可以为各种各样的程序传递数据，比如 Email、WWW、FTP 等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP 数据的格式，这些应用程序协议就构成了“应用层”。