一、协议模型

TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，与OSI的七层模型相对应。

链路层

　　用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、网卡，及光纤等物理可见部分。

网络层

　　用来规定通过怎样的路径把数据包传送给对方计算机。

传输层

　　主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。

应用层

应用层负责处理特定的应用程序细节。

二、各层协议

各种协议在TCP/IP协议模型中所处的层次如下：

ARP：通过IP地址获取MAC地址。

RARP：通过MAC地址获取IP地址。

IP：尽快将数据包从一个主机传送到另一个主机，不保证可靠性。

ICMP：IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。

IGMP：Internet组管理协议，用来把UDP数据报多播到多个主机。

UDP：简单地将数据包从一个应用程序发送到另一个应用程序，不保证可靠性。

TCP：提供一个应用程序到另一个应用程序的可靠传输。

三、IP地址及分类

互联网中采用一套独立的编址技术，使任何主机的编址不受其物理环境的影响。设计人员为每一台主机分配了一个唯一的32bit整数地址，称之为IP地址。

目前IP地址采用了分类的概念，把所有地址划分为A、B、C、D、E五类。

其中，有一些特殊用途的IP地址

环回地址：127.x.x.x，通常使用127.0.0.1。

网络地址：主机号全0的地址，如85.0.0.0、134.89.0.0、213.89.89.0等。

直接广播地址：用于向所在网络广播消息。主机号全1的地址，如85.255.255.255、134.89.255.255、213.89.89.255等。

受限广播地址：255.255.255.255，用于向本地网络广播消息。

不确定IP地址：0.0.0.0，表示整个网络

错误地址：169.254.x.x，DHCP分配失败时系统自动分配。

本网络特定主机地址：网络号全0的地址，如0.x.x.x、0.0.x.x、0.0.0.x。

/* 不确定IP地址(表示本机所有网络接口IP地址)指针 */
#define IP_ADDR_ANY         ((struct ip_addr *)&ip_addr_any)
/* 广播IP地址指针 */
#define IP_ADDR_BROADCAST   ((struct ip_addr *)&ip_addr_broadcast)/* A类地址 */
#define IN_CLASSA(a)        ((((u32_t)(a)) & 0x80000000UL) == 0)            //是否为A类地址
#define IN_CLASSA_NET       0xff000000                                      //A类网络地址掩码
#define IN_CLASSA_NSHIFT    24                                              //A类网络地址偏移量
#define IN_CLASSA_HOST      (0xffffffff & ~IN_CLASSA_NET)                   //A类主机地址掩码
#define IN_CLASSA_MAX       128                                             //A类网络地址最大数/* B类地址 */
#define IN_CLASSB(a)        ((((u32_t)(a)) & 0xc0000000UL) == 0x80000000UL) //是否为B类地址
#define IN_CLASSB_NET       0xffff0000                                      //B类网络地址掩码
#define IN_CLASSB_NSHIFT    16                                              //B类网络地址偏移量
#define IN_CLASSB_HOST      (0xffffffff & ~IN_CLASSB_NET)                   //B类主机地址掩码
#define IN_CLASSB_MAX       65536                                           //B类网络地址最大数/* C类地址 */
#define IN_CLASSC(a)        ((((u32_t)(a)) & 0xe0000000UL) == 0xc0000000UL) //是否为C类地址
#define IN_CLASSC_NET       0xffffff00                                      //C类网络地址掩码
#define IN_CLASSC_NSHIFT    8                                               //C类网络地址偏移量
#define IN_CLASSC_HOST      (0xffffffff & ~IN_CLASSC_NET)                   //C类主机地址掩码/* D类地址(组播) */
#define IN_CLASSD(a)        (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xe0000000UL)   //是否为D类地址
#define IN_CLASSD_NET       0xf0000000                                      //D类网络地址掩码
#define IN_CLASSD_NSHIFT    28                                              //D类网络地址偏移量(高4位1110)
#define IN_CLASSD_HOST      0x0fffffff                                      //D类主机地址掩码
#define IN_MULTICAST(a)     IN_CLASSD(a)                                    //是否为组播地址/* 保留未用地址 */
#define IN_EXPERIMENTAL(a)   (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xf0000000UL)  //是否为保留未用地址
/* 广播地址 */
#define IN_BADCLASS(a)       (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xf0000000UL)  //是否为广播地址

四、子网划分与子网掩码

标准IP地址使用网络号和主机号两层地址结构，当大量个人用户和小型局域网用户接入互联网，即使为其分配一个C类网络也会造成IP地址的大量浪费。随着互联网用户的剧烈增长，IP地址的分配变得格外紧张，为每个物理网络分配一个网络号的做法变得很不现实。

因此，通过子网掩码的方式将网络进一步划分为多个子网，将原来的二级结构变为三级结构。如果按照下面的方式进行划分一个B类网络来，则可以在整个网络中划分出254个子网，每个子网可以有254台主机。这样做可以大大减少标准IP编址中地址浪费现象。

网掩和IP地址一样是一个32位数，其对应网络地址(包括网络号和子网号)的所有位置都为1，对应于主机地址的所有位置都为。按照上图这种方式划分一个B类网络时，子网掩码为255.255.255.0。

对于一个主机或者路由器，当接收到一个数据包时2。若要判断发送数据的源主机和自己是否在同一网络时，可以将源IP地址和子网掩码进行与运算，得到源主机网络地址，并同样的方式得到自己的网络地址，然后进行比较。

/* 判断网段是否相同 */
#define ip_addr_netcmp(addr1, addr2, mask) (((addr1)->addr & \(mask)->addr) == \((addr2)->addr & \(mask)->addr))

使用了子网掩码之后，各个子网也同样存在广播地址。下面这段代码用于判断IP地址是否为广播地址

/* 判断IP地址是不是广播地址 */
u8_t ip_addr_isbroadcast(struct ip_addr *addr, struct netif *netif)
{u32_t addr2test;addr2test = addr->addr;/* 全0或全1 */if ((~addr2test == IP_ADDR_ANY_VALUE) || (addr2test == IP_ADDR_ANY_VALUE))return 1;/* 网络接口不支持广播 */else if ((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST) == 0)return 0;/* 本机地址 */else if (addr2test == netif->ip_addr.addr)return 0;/* 子网广播 */else if (ip_addr_netcmp(addr, &(netif->ip_addr), &(netif->netmask)) && ((addr2test & ~netif->netmask.addr) == (IP_ADDR_BROADCAST_VALUE & ~netif->netmask.addr)))return 1;elsereturn 0;
}

五、NAT转换协议

随着互联网的发送，IP地址短缺现象越来越严重，即使是拥有几百台的大型企业，也很难申请到几个IP地址。为了解决这个问题，产生了局域网技术。对于局域网外部来说，所有主机公用一个合法IP地址。但是在局域网内部，用户使用专用IP进行相互通信。

NAT协议的功能简单来说：数据发送到外部时，将局域网内部主机的IP地址转换成一个外部公用的IP地址；数据从外部接收时，将外部公用的IP地址转换成局域网内部主机的IP地址。

NAT最常见的实现方式是端口多路复用，它基于TCP或UDP协议端口号以及IP地址来实现。

例如：某公司IP地址为222.178.197.21，局域网内部某主机IP地址为192.168.1.178，该主机正在使用TCP协议与某外部服务器进行通信，该外部主机IP地址为130.21.45.20。TCP双方，内部主机TCP端口号为1234，外部主机TCP端口号为80。

具有NAT功能的路由器会在内部维护一个NAT转换表，当路由器收到该分组时，会在表中为连接（192.168.1.78:1234,130.21.45.20:80）分配一个路由器内部的端口，假设为5678。数据发送到外部时，路由器会将数据包中的源IP和端口号，由192.168.1.78:1234改为222.178.197.21:5678；数据从外部接收时，路由器会将数据包中的目的IP和端口号，由222.178.197.21:5678改为192.168.1.78:1234。

这样经过两次NAT转换，局域网用户就实现了与外部网络的数据交互。

六、数据包格式

Ethernet II帧格式

前导码：由8个8‘b10101010构成。

以太网首部目的地址：目的设备的MAC物理地址。

源地址：发送设备的MAC物理地址。

类型：0x0800为IP协议包，0x0806为ARP协议包。

数据：数据长度最小为46字节，不足46字节时，填充至46字节。

FCS: 就是CRC校验值

其中，目的地址、源地址和类型，共同组成以太网首部

IP数据包和ARP数据包格式分别如下：

TCP数据帧封装过程举例：

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