网络基础2（分层模型，通信过程，以太网，ARP协议格式和具体功能详解）

分层模型

OSI七层模型

OSI模型

1 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

2 数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1

3 网络层：在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。

4 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。

5 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

6 表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。

7 应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

8 TCP/IP四层模型
TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。如下图所示：

TCP/IP模型
一般在应用开发过程中，讨论最多的是TCP/IP模型。

通信过程

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：

TCP/IP通信过程
上图对应两台计算机在同一网段中的情况，如果两台计算机在不同的网段中，那么数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器，如下图所示：

跨路由通信

链路层有以太网、令牌环网等标准，链路层负责网卡设备的驱动、帧同步（即从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、冲突检测（如果检测到冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备，可以在不同的链路层网络之间转发数据帧比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间），由于不同链路层的帧格式不同，交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。

网络层的IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识， Inter-net上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包，
数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包， 因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失，可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。网络层负责点到点（ptop，point-to-point）的传输（这里的“点”指主机或路由器），而传输层负责端到端（etoe，end-to-end）的传输（这里的“端”指源主机和目的主机）。传输层可选择TCP或UDP协议。

TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。

UDP是无连接的传输协议，不保证可靠性，有点像寄信，信写好放到邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失，也不能保证信件寄送顺序。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。

目的主机收到数据包后，如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢？

其过程如下图所示：

1    以太网驱动程序首先根据以太网首部中的“上层协议”字段确定该数据帧的有效载荷（payload，指除去协议首部之外实际传输的数据）
是IP、ARP还是RARP协议的数据报，然后交给相应的协议处理。2    假如是IP数据报，IP协议再根据IP首部中的“上层协议”字段确定该数据报的有效载荷是TCP、UDP、ICMP还是IGMP，
然后交给相应的协议处理。3   假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP协议再根据TCP首部或UDP首部的“端口号”字段确定应该将应用层数据交给哪个用户进程。

IP地址是标识网络中不同主机的地址，而端口号就是同一台主机上标识不同进程的地址，IP地址和端口号合起来标识网络中唯一的进程。

虽然IP、ARP和RARP数据报都需要以太网驱动程序来封装成帧，但是从功能上划分，

ARP和RARP属于链路层
IP属于网络层。

虽然ICMP、IGMP、TCP、UDP的数据都需要IP协议来封装成数据报，但是从功能上划分

ICMP、IGMP与IP同属于网络层，
TCP和UDP属于传输层。

协议格式

数据包封装

传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供（后面将介绍如何使用socket API编写应用程序），应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示：

不同的协议层对数据包有不同的称谓，**在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）。**数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

以太网帧格式
以太网的帧格式如下所示：

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。可在shell中使用ifconfig命令查看，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧尾是CRC校验码。
以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU，则需要对数据包进行分片（fragmentation）。ifconfig命令输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧头长度。

ARP数据报格式
在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

想一想，为什么表项要有过期时间而不是一直有效？

ARP数据报的格式如下所示：

源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，
对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，协议类型指要转换的地址类型，
0x0800为IP地址，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节），op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

看一个具体的例子。

请求帧如下（为了清晰在每行的前面加了字节计数，每行16个字节）：
以太网首部（14字节）
0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06
ARP帧（28字节）
0000: 00 01
0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 02
填充位（18字节）
0020: 00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00
以太网首部：目的主机采用广播地址，源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC地址）长度为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址，源主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8，源主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主机MAC地址全0待填写，目的主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2）。

由于以太网规定最小数据长度为46字节，ARP帧长度只有28字节，因此有18字节填充位，填充位的内容没有定义，与具体实现相关。
应答帧如下：
以太网首部
0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06
ARP帧
0000: 00 01
0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02
0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
填充位
0020: 00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00
以太网首部：目的主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主机的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40，上层协议类型0x0806表示ARP。

如果源主机和目的主机不在同一网段，ARP请求的广播帧无法穿过路由器，源主机如何与目的主机通信？

ARP一般只在局域网（同网段中）起作用，部分路由器有ARP代理功能，但也不可能所广域网上所有的地址都代理了。
在跨网段访问时，当发现目的地址不是本网段IP时，将会把数据包发送给网关处理（一般网关就是路由器来做的），路由器此时就发挥他的路由功能进行IP路由.
当到达目的网段后，再在目的网段使用ARP解析出目的主机的MAC地址，实现通信。
综上，ARP只用于同一局域网通信（特殊情况下可以跨网段，ARP代理时），当源和目的不在同一网段时，跨网段这部分由中间的具有路由功能的设备来进行处理，如路由器。

具体过程

、主机A有数据发往主机B，数据封装IP之后发现没有主机B的mac地址；
然后查询ARP，ARP回应：“我在192.168.3.0/24网段，目标地址在192.168.4.0/24,不属于同一网段，需要使用默认网关”；
ARP发现默认网关是192.168.3.2，但是没有网关mac地址，需要先进行查询2、主机将数据包先放到缓存中，然后发送ARP查询报文：
封装自己的mac地址为源mac，目标mac地址写全F的广播地址，请求网关192.168.3.2的mac地址。然后以广播方式发送出去3、路由器收到广播数据包，首先将原192.168.3.1添加到自己的mac地址表中，对应mac地址为0800.0222.2222。
路由发现是请求自己的mac地址，然后路由回复一个ARP应答：
封装自己的IP地址为源IP自己的mac地址为源mac，主机A的IP为目的IP主机A的mac为目的mac，
发送一个单播应答“我是192.168.3.2.我的mac地址为 0800.0333.2222”4、主机收到应答后，将网关mac地址对应192.168.4.2（跨网关通信，其他网段IP地址的mac地址均为网关mac）
，然后将缓存中的数据包，封装网关mac地址进行发送5、路由收到数据包，检查目的IP地址，发现不是给自己的，决定要进行路由，然后查询路由表，
需要发往192.168.4.0网段中的192.168.4.2地址。路由准备从相应接口上发出去，然后查询mac地址表，发现没有主机B的映射。
路由器发送arp请求查询主机B的mac地址（原理同2、3步，主机B收到请求后首先会添加网关的mac地址，然后单播回复arp请求）。6、路由器收到主机B的mac地址后，将其添加到路由mac地址表中，
然后将缓存中的数据2层帧头去掉，封装自己的mac地址为源mac，主机B的mac地址为目的mac（源和目的IP地址不变），
加上二层帧头及校验，发送给主机B。7、主机B收到数据之后，进行处理，发送过程结束。