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(shí)，網(wǎng)絡(luò)這個(gè)系列文章就從底層往頂層講解，本篇文章就來(lái)接觸一下網(wǎng)絡(luò)底層的相關(guān)知識(shí)。

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(shí)，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(guò)調(diào)用傳輸層的接口來(lái)編寫(xiě)特定的應(yīng)用程序，并且TCP/IP協(xié)議棧一般也會(huì)包含一些簡(jiǎn)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(huì)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(huì)向下交給網(wǎng)絡(luò)層。同樣地，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)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(huì)對(duì)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(hào)，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(guò)程，可以概括為T(mén)CP/IP的各層協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝的過(guò)程;

當(dāng)設(shè)備的網(wǎng)卡接收到某個(gè)數(shù)據(jù)包后，它會(huì)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(kāi)始工作了，它會(huì)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(gè)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)的接收過(guò)程與發(fā)送過(guò)程正好相反，可以概括為T(mén)CP/IP的各層協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的過(guò)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?cè)谶@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(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路（有線或無(wú)線）這是實(shí)實(shí)在在看得見(jiàn)的，比如我們的網(wǎng)線，而中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)， 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信路徑往往要經(jīng)過(guò)許多段這樣的鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路則是另一個(gè)概念。 這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)， 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(lái)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(shuō)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(wú)縫連接起來(lái)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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——netif來(lái)描述一個(gè)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(huì)經(jīng)過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)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(wú)縫連接起來(lái)。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(huì)導(dǎo)致各種各樣的問(wèn)題，比如網(wǎng)卡無(wú)縫接收太多數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)速過(guò)慢，出現(xiàn)掛掉的現(xiàn)象，時(shí)常丟包，或者運(yùn)行一段時(shí)間就導(dǎo)致內(nèi)存泄漏等等等等亂七八糟的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，netif是LwIP抽象出來(lái)的網(wǎng)卡描述符，它擁有描述設(shè)備中的不同網(wǎng)卡，一個(gè)設(shè)備至少與一個(gè)網(wǎng)卡，才能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，LwIP協(xié)議?？梢允褂枚鄠€(gè)不同的接口，而源碼中的ethernetif.c文件則提供了netif訪問(wèn)各種不同的網(wǎng)卡，每個(gè)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(gè)例子：我們可以理解將整個(gè)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(duì)于一個(gè)物流公司而言，可能同時(shí)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(gè)包裹需要通過(guò)飛機(jī)運(yùn)輸出去，那么物流公司就會(huì)將這個(gè)包裹通過(guò)飛機(jī)發(fā)送出去，這就好比我們的網(wǎng)卡，需要哪個(gè)網(wǎng)卡發(fā)送或者接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候，就會(huì)讓對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡去工作。（可能不太貼切）

MAC地址簡(jiǎn)介

MAC地址（英語(yǔ)：Media Access Control Address），直譯為媒體訪問(wèn)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(gè)用來(lái)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(gè)網(wǎng)卡，一臺(tái)設(shè)備若有一或多個(gè)網(wǎng)卡，則每個(gè)網(wǎng)卡都需要并會(huì)有一個(gè)唯一的MAC地址。（引用來(lái)自維基百科）

可能我們做計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的人，多多少少都會(huì)知道IP地址、MAC地址（也稱之為鏈路層地址）。在前一篇文章說(shuō)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?cè)阪溌穼佣夹枰刂纺兀?/code>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(gè)主機(jī)擁有多少個(gè)網(wǎng)卡，那么它就有多少個(gè)MAC地址。MAC地址實(shí)際上就是網(wǎng)卡地址或網(wǎng)卡標(biāo)識(shí)符。當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)使用某塊網(wǎng)卡后，網(wǎng)卡上的標(biāo)識(shí)符就成為該計(jì)算機(jī)的MAC地址。MAC地址長(zhǎng)度為6字節(jié)（48bit），其前3個(gè)字節(jié)表示組織唯一標(biāo)志符（Organizationally Unique Identifier，即OUI），由IEEE的注冊(cè)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(gè)字節(jié)由廠家自行分配，稱為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。同一個(gè)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡中MAC地址后24位是不同的。