一、協(xié)議模型

TCP/IP協(xié)議模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是Internet的核心協(xié)議，通過(guò)20多年的發(fā)展已日漸成熟，并被廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中，目前已成為事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP協(xié)議簇是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合，通常被認(rèn)為是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，與OSI的七層模型相對(duì)應(yīng)。

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• 鏈路層

　　用來(lái)處理連接網(wǎng)絡(luò)的硬件部分。包括控制操作系統(tǒng)、硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡，及光纖等物理可見(jiàn)部分。

• 網(wǎng)絡(luò)層

　　用來(lái)規(guī)定通過(guò)怎樣的路徑把數(shù)據(jù)包傳送給對(duì)方計(jì)算機(jī)。

• 傳輸層

　　主要為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。

• 應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。?

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二、各層協(xié)議

?各種協(xié)議在TCP/IP協(xié)議模型中所處的層次如下：

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ARP：通過(guò)IP地址獲取MAC地址。

RARP：通過(guò)MAC地址獲取IP地址。

IP：盡快將數(shù)據(jù)包從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)，不保證可靠性。

ICMP：IP層用它來(lái)與其他主機(jī)或路由器交換錯(cuò)誤報(bào)文和其他重要信息。

IGMP：Internet組管理協(xié)議，用來(lái)把UDP數(shù)據(jù)報(bào)多播到多個(gè)主機(jī)。

UDP：簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)包從一個(gè)應(yīng)用程序發(fā)送到另一個(gè)應(yīng)用程序，不保證可靠性。

TCP：提供一個(gè)應(yīng)用程序到另一個(gè)應(yīng)用程序的可靠傳輸。

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三、IP地址及分類

互聯(lián)網(wǎng)中采用一套獨(dú)立的編址技術(shù)，使任何主機(jī)的編址不受其物理環(huán)境的影響。設(shè)計(jì)人員為每一臺(tái)主機(jī)分配了一個(gè)唯一的32bit整數(shù)地址，稱之為IP地址。

目前IP地址采用了分類的概念，把所有地址劃分為A、B、C、D、E五類。

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其中，有一些特殊用途的IP地址

環(huán)回地址：127.x.x.x，通常使用127.0.0.1。

網(wǎng)絡(luò)地址：主機(jī)號(hào)全0的地址，如85.0.0.0、134.89.0.0、213.89.89.0等。

直接廣播地址：用于向所在網(wǎng)絡(luò)廣播消息。主機(jī)號(hào)全1的地址，如85.255.255.255、134.89.255.255、213.89.89.255等。

受限廣播地址：255.255.255.255，用于向本地網(wǎng)絡(luò)廣播消息。

不確定IP地址：0.0.0.0，表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

錯(cuò)誤地址：169.254.x.x，DHCP分配失敗時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)分配。

本網(wǎng)絡(luò)特定主機(jī)地址：網(wǎng)絡(luò)號(hào)全0的地址，如0.x.x.x、0.0.x.x、0.0.0.x。

/* 不確定IP地址(表示本機(jī)所有網(wǎng)絡(luò)接口IP地址)指針 */ #define IP_ADDR_ANY ((struct ip_addr *)&ip_addr_any) /* 廣播IP地址指針 */ #define IP_ADDR_BROADCAST ((struct ip_addr *)&ip_addr_broadcast)/* A類地址 */ #define IN_CLASSA(a) ((((u32_t)(a)) & 0x80000000UL) == 0) //是否為A類地址 #define IN_CLASSA_NET 0xff000000 //A類網(wǎng)絡(luò)地址掩碼 #define IN_CLASSA_NSHIFT 24 //A類網(wǎng)絡(luò)地址偏移量 #define IN_CLASSA_HOST (0xffffffff & ~IN_CLASSA_NET) //A類主機(jī)地址掩碼 #define IN_CLASSA_MAX 128 //A類網(wǎng)絡(luò)地址最大數(shù)/* B類地址 */ #define IN_CLASSB(a) ((((u32_t)(a)) & 0xc0000000UL) == 0x80000000UL) //是否為B類地址 #define IN_CLASSB_NET 0xffff0000 //B類網(wǎng)絡(luò)地址掩碼 #define IN_CLASSB_NSHIFT 16 //B類網(wǎng)絡(luò)地址偏移量 #define IN_CLASSB_HOST (0xffffffff & ~IN_CLASSB_NET) //B類主機(jī)地址掩碼 #define IN_CLASSB_MAX 65536 //B類網(wǎng)絡(luò)地址最大數(shù)/* C類地址 */ #define IN_CLASSC(a) ((((u32_t)(a)) & 0xe0000000UL) == 0xc0000000UL) //是否為C類地址 #define IN_CLASSC_NET 0xffffff00 //C類網(wǎng)絡(luò)地址掩碼 #define IN_CLASSC_NSHIFT 8 //C類網(wǎng)絡(luò)地址偏移量 #define IN_CLASSC_HOST (0xffffffff & ~IN_CLASSC_NET) //C類主機(jī)地址掩碼/* D類地址(組播) */ #define IN_CLASSD(a) (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xe0000000UL) //是否為D類地址 #define IN_CLASSD_NET 0xf0000000 //D類網(wǎng)絡(luò)地址掩碼 #define IN_CLASSD_NSHIFT 28 //D類網(wǎng)絡(luò)地址偏移量(高4位1110) #define IN_CLASSD_HOST 0x0fffffff //D類主機(jī)地址掩碼 #define IN_MULTICAST(a) IN_CLASSD(a) //是否為組播地址/* 保留未用地址 */ #define IN_EXPERIMENTAL(a) (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xf0000000UL) //是否為保留未用地址 /* 廣播地址 */ #define IN_BADCLASS(a) (((u32_t)(a) & 0xf0000000UL) == 0xf0000000UL) //是否為廣播地址

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四、子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

標(biāo)準(zhǔn)IP地址使用網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩層地址結(jié)構(gòu)，當(dāng)大量個(gè)人用戶和小型局域網(wǎng)用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，即使為其分配一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)也會(huì)造成IP地址的大量浪費(fèi)。隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的劇烈增長(zhǎng)，IP地址的分配變得格外緊張，為每個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)的做法變得很不現(xiàn)實(shí)。

因此，通過(guò)子網(wǎng)掩碼的方式將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步劃分為多個(gè)子網(wǎng)，將原來(lái)的二級(jí)結(jié)構(gòu)變?yōu)槿?jí)結(jié)構(gòu)。如果按照下面的方式進(jìn)行劃分一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)來(lái)，則可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中劃分出254個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)可以有254臺(tái)主機(jī)。這樣做可以大大減少標(biāo)準(zhǔn)IP編址中地址浪費(fèi)現(xiàn)象。

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網(wǎng)掩和IP地址一樣是一個(gè)32位數(shù)，其對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)地址(包括網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào))的所有位置都為1，對(duì)應(yīng)于主機(jī)地址的所有位置都為。按照上圖這種方式劃分一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)時(shí)，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

對(duì)于一個(gè)主機(jī)或者路由器，當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)2。若要判斷發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機(jī)和自己是否在同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以將源IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行與運(yùn)算，得到源主機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址，并同樣的方式得到自己的網(wǎng)絡(luò)地址，然后進(jìn)行比較。

/* 判斷網(wǎng)段是否相同 */ #define ip_addr_netcmp(addr1, addr2, mask) (((addr1)->addr & \(mask)->addr) == \((addr2)->addr & \(mask)->addr))

?使用了子網(wǎng)掩碼之后，各個(gè)子網(wǎng)也同樣存在廣播地址。下面這段代碼用于判斷IP地址是否為廣播地址

/* 判斷IP地址是不是廣播地址 */ 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;/* 網(wǎng)絡(luò)接口不支持廣播 */else if ((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST) == 0)return 0;/* 本機(jī)地址 */else if (addr2test == netif->ip_addr.addr)return 0;/* 子網(wǎng)廣播 */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; }

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五、NAT轉(zhuǎn)換協(xié)議

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)送，IP地址短缺現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，即使是擁有幾百臺(tái)的大型企業(yè)，也很難申請(qǐng)到幾個(gè)IP地址。為了解決這個(gè)問(wèn)題，產(chǎn)生了局域網(wǎng)技術(shù)。對(duì)于局域網(wǎng)外部來(lái)說(shuō)，所有主機(jī)公用一個(gè)合法IP地址。但是在局域網(wǎng)內(nèi)部，用戶使用專用IP進(jìn)行相互通信。

NAT協(xié)議的功能簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：數(shù)據(jù)發(fā)送到外部時(shí)，將局域網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)的IP地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)外部公用的IP地址；數(shù)據(jù)從外部接收時(shí)，將外部公用的IP地址轉(zhuǎn)換成局域網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)的IP地址。

NAT最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式是端口多路復(fù)用，它基于TCP或UDP協(xié)議端口號(hào)以及IP地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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例如：某公司IP地址為222.178.197.21，局域網(wǎng)內(nèi)部某主機(jī)IP地址為192.168.1.178，該主機(jī)正在使用TCP協(xié)議與某外部服務(wù)器進(jìn)行通信，該外部主機(jī)IP地址為130.21.45.20。TCP雙方，內(nèi)部主機(jī)TCP端口號(hào)為1234，外部主機(jī)TCP端口號(hào)為80。

具有NAT功能的路由器會(huì)在內(nèi)部維護(hù)一個(gè)NAT轉(zhuǎn)換表，當(dāng)路由器收到該分組時(shí)，會(huì)在表中為連接（192.168.1.78:1234,130.21.45.20:80）分配一個(gè)路由器內(nèi)部的端口，假設(shè)為5678。數(shù)據(jù)發(fā)送到外部時(shí)，路由器會(huì)將數(shù)據(jù)包中的源IP和端口號(hào)，由192.168.1.78:1234改為222.178.197.21:5678；數(shù)據(jù)從外部接收時(shí)，路由器會(huì)將數(shù)據(jù)包中的目的IP和端口號(hào)，由222.178.197.21:5678改為192.168.1.78:1234。

這樣經(jīng)過(guò)兩次NAT轉(zhuǎn)換，局域網(wǎng)用戶就實(shí)現(xiàn)了與外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

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六、數(shù)據(jù)包格式

Ethernet II幀格式

? ? 前導(dǎo)碼：由8個(gè)8‘b10101010構(gòu)成。

? ? 以太網(wǎng)首部目的地址：目的設(shè)備的MAC物理地址。

? ? 源地址：發(fā)送設(shè)備的MAC物理地址。

? ? 類型：0x0800為IP協(xié)議包，0x0806為ARP協(xié)議包。

? ? 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最小為46字節(jié)，不足46字節(jié)時(shí)，填充至46字節(jié)。

? ? FCS: 就是CRC校驗(yàn)值

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其中，目的地址、源地址和類型，共同組成以太網(wǎng)首部

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IP數(shù)據(jù)包和ARP數(shù)據(jù)包格式分別如下：

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TCP數(shù)據(jù)幀封裝過(guò)程舉例：

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的LwIP之网络技术基础的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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