[转]车小胖谈网络（基础篇）：同一网段的主机如何通信

http://blog.sina.com.cn/s/blog_1533e35800102wyqd.html

最近读者反映文章还要普及一下基础知识，比如专业术语，比如网络包是如何从一台电脑发送出去，网络包如何到达目的地，又如何从目的地网卡接收到，再传输到应用程序。如果把专业术语单独拎出来，没有上下文，同学们一定会觉得很突兀、也很枯燥，所以我还是喜欢讲一个例子，在这个例子中用到的专业术语一一解释，今天我们来讲同一网段的两台电脑如何ping通对方，那第一个问题就来了。

Ping是什么？

操作系统里的一种小程序，可以用来检测两台主机的连通性，如果可以ping通，表示网络可达，否则，网络不可达，网络出故障，需要排错了。先来看一个例子，在主机10.0.0.2上ping主机10.0.0.3，从第一个图可以看出可以ping 通，发出4个echo request，返回对应的4个echo reply；第二个图可以看出全部的8个ping报文，第三个图可以看到具体的ping报文的怎么构成的。

同学们一定很好奇，ping 是如何生成这些ICMP报文的，那下一个问题又来了；

什么是ICMP?

Internet Control Message Protocol，如名字所暗示，这是一个网络控制协议，当网络发生一些或大或小的问题，通过该协议可以告知通信的发起方，比如，当一个IP包太大，比如1500字节，到达一个路由器的接口，接口最大传输单元MTU=1476字节，由于IP包1500>MTU1476，这个IP包必须分成两片才可以从接口发送出去，问题来了，IP包里有一个标志位DF=1，不熟悉这个标志位可以看我的文章：IP协议，意思是这个IP包不能分片，IP包的发起方意思很明显，要么完整给我转发，要么丢，就是不能分片！那路由器只有无奈地丢弃这个IP包，如果没有消息告知这个IP发起者，会发生什么？IP包都被默默丢弃了，而IP包发起方并不知道，还以为数据已经到达了目的地，其实都被丢了，这就是流量黑洞，所以需要一种消息机制告知IP包的发起者，这个消息就是用ICMP来发送的，那发送什么样的消息呢？

ICMP协议里有type字段，还有code字段，发送type=3，code=4，MTU=1476的消息就可以了，当这个ICMP消息到达IP包的发起者，发起者知道原来是IP太大了，那最大可以发送多大的呢？消息里有，那就MTU=1476，于是IP包的发起方只要发送小于等于1476字节的就可以了。

好了，那我们继续我们的主题，ping的ICMP报文是如何生成的，这个是软件工程师最擅长的领域，因为这更像编程，好在车小胖做过七年的软件工程师，操纵Motorola MPC 860芯片，各种物理寄存器、BD表、发送缓存、接收缓存，还写过网卡驱动程序，写过二层HDLC协议，还写过更高一些的如DHCP、PPPoE等协议，所以应该能够给一个大体的框架，步骤如下：

1. ping 10.0.0.3这条命令敲完回车，ping程序会调用一个发送函数，类似icmp_send(10.0.0.3，...)，这种函数我们统称为Application ProgramInterface，简称API，这是操作系统提供的一种函数集合，准确地说是TCP/IP协议栈提供的函数集合，目的是什么呢？用来操作TCP/IP协议栈来发送和接收数据。比如Apple IPhone iOS也提供了很多API，各种APP通过这些API可以操纵手机的相机、喇叭、声音等可以编程，呈现出五彩缤纷的花花界面。好，回到正题，icmp_send(10.0.0.3，…)，括号里的是传入参数，省略号表示这些可以是缺省参数，比如长度是length=32字节，发送次数count=4，DF=0，超时timeout=2 秒，如果你想发1500字节的数据，你只要敲以下命令：ping 10.0.0.3 -l 1500

那下面这条命令什么意思？

ping 10.0.0.3 -c 100 -f -l 1500

-c count

-f force

-l length

意思是发送100次、长度为1500字节、且不能分片ICMP Echo request。

2. icmp_send(10.0.0.3，…)到达TCP/IP协议栈，栈查找自己的路由表，路由表是什么？下图可以看出主机上路由表大概是什么样子的，为什么要查找路由表？通过查找路由表可以知道该把这个ICMP消息从哪个接口发送出去，那怎么查找？

最长匹配！把10.0.0.3和路由表里的每一个表相进行匹配，匹配长度最长的胜出，在这张路由表里最长的匹配就是第二条路由：10.0.0.0 255.255.255.0 Wi-Fi，栈知道这是和自己在一个网段10.0.0.0/24的主机，可以通过Wi-Fi接口到达，于是发送ARP来解析10.0.0.3的硬件地址，也称为MAC地址，那ARP又是什么呢，还有什么叫同一网段？

什么是同一网段？

比如一个地址，10.0.0.3/24，也可以写成10.0.0.3 255.255.255.0，子网掩码是24位即255.255.255.0，10.0.0.3
和255.255.255.0“按位与”操作得到网段地址，即10.0.0.0 ，剩下的3为主机地址，操作如下：

IP地址10.0.0.3 的二进制：

00001010.00000000.00000000.00000011

子网掩码255.255.255.0的二进制：

11111111.11111111.11111111.00000000

按位与得到的网段地址：

00001010.00000000.00000000.00000000

换算成十进制就是：

10.0.0.0

所谓按位与运算，就是每一位比对，如果都是1得到的结果是1，否则为0。

那10.0.0.2 和10.0.0.3就属于同一网段，同一网段意味着在一个广播域里，ARP就是工作在广播模式下，那ARP又做些什么呢？

什么是ARP？

Address Resolution Protocol，简称为ARP，用来解析IP地址所对应主机的硬件地址，即网卡地址，我们也统称MAC地址，MAC，Media Access Control的缩写，于是栈发了一个ARP请求，地址10.0.0.3是谁的？吭一声，对应图中的第一个包，因为这是一个广播包，所以这个网段的所有主机都可以接收到，于是10.0.0.3就吭了一声，对应图中得第二个包，于是我们就知道了10.0.0.3的MAC地址为：00:30:67:1b:ec:a5

到这里栈有了所有的信息，包括二层以太网目的地址、三层IP目的地址，打包成一个ICMP包发送给网卡，怎么发？当然也是调用网卡驱动程序API，各位同学又看到了API，没错！下层提供给它上层的服务是通过API来实现的，这里相当于调用类似ethernet_send()接口函数，于是ICMP到达网卡。

3. 网卡计算整个以太网帧的校验和，四个字节长，放在以太网帧的最后，我们称之为CRC，然后把这个以太网帧从接口发送出去，为何要CRC？为了怕在传输过程中因为线路质量、或噪音引起数据的丢失或者改变，发送方计算一个CRC，覆盖范围为整个以太网帧，接收方收到一个帧，先把最后四个字节CRC拷贝出来，然后去掉CRC，再计算CRC，如果计算出的CRC和接收到的CRC一致，说明帧是完好的，可以接收，否则直接丢弃！好，现在ICMP已经发到网络上去了。

4. 10.0.0.3这台主机发现这个帧的目的地址和自己的一样，哦，这是我的地址，于是接收，步骤参见步骤三，网卡把这个帧放在自己的缓存，发一个CPU中断，意思是收到一个帧，需要您老人家照顾一下，于是TCP/IP栈把这个帧移到自己的缓存空间，交由ICMP进程来处理

5. ICMP进程分析这个ICMP echo 请求，生成了回答ICMP echo reply报文，然后…剩下的步骤和以上的雷同，就不再罗嗦了。

6. ICMP echo reply 到达10.0.0.2主机，然后ping把这个消息输出到屏幕，这就完成了同一网段主机的通信。

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