全硬件TCP/IP协议栈学习笔记（第一天：TCP/IP协议学习一）

一.为什么会有TCP/IP协议

首先呢，TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称。他们的存在是为了在将电脑联合起来的时候，利用他们可以和其他的计算机终端做自由的交流。

二.TCP/IP协议分层

1.TCP/IP族按照层次由上到下，层层包装。每一层都有自己的功能，每一层都有下一层的支持。而用户接触的，只是最上边一层，没有感觉到下面一层层，但是理解的时候要从最下层由下向上来理解。最上边是应用层，这里有http，ftp等熟悉的协议。而第二层就是传输层，TCP和UDP协议就是在这个层次。第三层是网络层，IP协议就在这里，他负责对数据加上IP地址和其他数据以确定传输的目标。第四层叫做数据链路层，这个层次为待传输的数据加上一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备。再往下就是硬件层次，负责网络的传输，这个层次的定义包括网线的格式，网卡的定义等等。

2.发送协议的主机从上到下将数据按照协议封装，而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开，最后拿到需要的数据。这种结构非常像栈，所以我们也把TCP/IP协议族称为TCP/IP栈。

3.每一层都是为了完成一种功能，为了实现这些功能，需要大家每个人都要遵循共同的规则，而这个规则就叫做“协议”。互联网的每一层都定义了许多协议。而这些协议的总称，就叫做“互联网协议”，他们是互联网的核心。

三.基本常识

1.互联网地址（IP地址）：网络上的每一个节点都必须有一个独立的Internet地址，也叫IP地址。通常使用的IP地址是一个32bit的数字，这32bit的数字分成四组，也就是常见的255.255.255.255的样式。需注意，IP地址是网络号+主机号的组合，这十分重要。

2.域名系统：域名系统就是一个分布的数据库，它提供将主机名（就是网址）转换成IP地址的服务。

3.RFC：TCP/IP协议的标准文档。他一共有4000多个协议的定义。

4.端口号：这个号码是用在TCP，UDP上的一个逻辑号码，并不是一个硬件端口。平时所说的把某某的端口封掉，也只是在IP层次把带有这个号码的IP包滤掉了而已。

5.应用编程接口（API）：现常用的编程接口有socket和TLI。主要是提供应用程序和开发人员以访问一组例程功能，而无需考虑其底层的源代码是为何，或理解其内部工作机制的细节。

四.实体层

就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。

五.数据链路层

单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号为有何意义？

这就是“连接层”的功能，他在“实体层”的上方，确定了0和1的分组方式。

数据链路层有三个目的：

1.为IP模块发送和接收IP数据报。

2.为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答。

3.为RARP发送RARP请求和接收RARP应答。

注：ARP：地址解析协议，是用IP地址换MAC地址（媒体访问地址，或称为物理地址，硬件地址。MAC地址是网卡决定的，是固定的，共48位，实际上就是适配器地址，IP地址就如同一个职位，而MAC地址则好像是去应聘这个职位的人才，职位既可以让甲坐，也可以让乙坐，同样的道理一个结点的IP地址对于网卡是不做要求，基本上什么样的厂家都可以用，也就是说IP地址与MAC地址并不存在着绑定关系。）的一种协议，而RARP则叫做逆地址解析协议。

以太网的定义是指数字设备公司（ Digital Equipment Corp.）、英特尔公司（Intel Corp.）和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准。以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”，每一帧分成两个部分：标头（head）和数据（data）。

标头包含了数据包的一些说明项，比如发送者，接受者，数据类型等；“数据”包括了数据包的具体内容。标头的长度固定为18字节。数据的长度最长为1500字节，最短为46字节。因此，整个“帧”最长为1518字节，最短为64字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有“网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这就是MAC地址。

定义地址只是第一步，在这之后要解决一块网卡如何知道另一块网卡的MAC地址？回答是一种ARP协议。而在以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

之后就算有了MAC地址，系统如何才能把数据包准确的发送到接收方？，而以太网采用用了一种很原始的方式，即向本网络内的所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。他们读取这个包的“标头”，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址进行比较，如果两者相同，就接受这个包，作进一步处理，否则就丢弃这个包，这种发送方式就叫做广播。

有了数据包的定义，网卡的MAC地址，广播的发送方式，“连接层”就可以在多台计算机之间传输数据。

六.网络层

1.由来：以太网协议，依靠MAC地址发送数据。但是，以太网采用广播来发送数据包，效率低，而且局限在发送者所在的子网络。因此，要找到一种方法，能够区分那些MAC地质属于同一个子网络，那些不是。如果是同一个子网络，就采用广播，否则采用路由（...）方式发送，而这是MAC地址无法实现的，他至于厂商有关，与所处网络无关，这就导致了“网络层”的诞生，他的作用就是引用一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。而这套地址就叫做“网络地址”，简称“网址”。于是，“网络层”出现之后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，他们是随机组合在一起的。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据报送到该子网络中的目标网卡，因此，先处理网络地址，在处理MAC地址。

2.IP协议

规定网络地址的协议，叫做IP协议。他所规定的地址，就被称为IP地址。我们采用的一般是IPv4.这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。习惯上分为四段，如255.255.255.255，这个地址分成两部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。但是单从IP地址，我们无法分辨网络部分。因此，我们需要一个参数来判断两台计算机是否属于同一个子网络，这个参数就是“子网掩码”，它在形式上等同于IP地址，也是一个32位的二进制数，他的网络部分全部为1，主机部分为0.知道子网掩码我们就可以判断两个IP地址是否属于同一个自网络下，方法就是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算。，比较结果是否相同，如果是的话，就表明在同一个子网络中。

所以，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定那些地址在同一个子网络。

3.IP数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。其中包含IP地址信息。但是由于以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址栏，但我们也并不需要为他添加一个栏位，我们将IP数据包直接放进以太网数据包的“数据”中，而不用修改以太网的规格，这就是互联网分层的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。IP数据也分为“标头”和“数据”两部分,"标头"主要是版本，长度，IP地址，“数据”部分则是IP数据包的具体内容。他放在以太网数据包后，就是这样

IP数据包的“标头”部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65535字节，因此，一个IP数据包的“数据”部分最长为65515字节。