【网络编程】TCP/IP四层模型、MAC和IP

1. TCP/IP的四层模型

网络模型的目的：规范通信标准，确保不同设备和系统之间能够有效通信

对比OSI模型与TCP/IP模型：

• OSI模型的七层架构（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）
• TCP/IP模型的四层架构（网络接口层、互联网层、传输层、应用层）

2. 每一层的功能及其对应的协议

3. 数据链路层的工作机制

3.1.1. 数据链路层工作机制

• 数据链路层的主要任务是提供节点到节点之间可靠的数据传输。
• 它通过将网络层传来的数据封装成帧（Frame）来实现****，这些帧通过物理介质在局域网中传输。

常见的数据链路层协议是以太网协议（Ethernet）。

• 帧的封装：在数据链路层，网络层的数据包（如IP包）被封装成数据帧。帧通常包含以下几个部分：
  • 帧头（Header）：包括源MAC地址、目标MAC地址、帧类型/长度等信息。
  • 数据部分（Payload）：包含要传输的IP数据包。
  • 帧校验序列（FCS, Frame Check Sequence）：用于检测数据在传输过程中是否发生错误。
• CSMA/CD机制（以太网有线网络）：
  • 载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 是经典的以太网机制，用于检测和处理数据帧的冲突。
  • 当一个网络设备准备发送数据时，它首先监听网络介质。如果介质空闲，设备就开始发送数据；如果检测到数据冲突（如两个设备同时发送数据），设备会停止发送，等待一个随机的时间段再重试。
• MAC地址的使用：MAC地址是硬件地址，是每个网络设备的唯一标识符。数据链路层使用MAC地址来确定数据帧的发送方和接收方

3.1.2. MAC数据帧的封包格式（以太网）

3.1.2.1. IP层到MAC层的数据封装

• IP数据报：在图的最上方，我们可以看到一个IP数据报，这是来自IP层的数据包，包含了网络层的目的地址和源地址。
• MAC帧结构：
  • 目的地址（6字节）：目标设备的MAC地址，用于标识数据包的接收者。
  • 源地址（6字节）：源设备的MAC地址，用于标识数据包的发送者。
  • 类型/长度字段（2字节）：标识上层协议类型（如IPv4或IPv6）或表示数据长度。
  • 数据字段（46到1500字节）：实际传输的数据部分，这里承载的是IP数据报。
  • 帧校验序列（FCS）（4字节）：用于检验帧在传输过程中是否出错。

46~1500个字节，46是因为以太网MAC帧长不能小于64字节。1500是因为以太网的最大传输单元(MTU)是1500字节

3.1.2.2. MAC层到物理层的数据封装

• 前同步码（7字节）：以太网帧的前导部分，用于接收方的同步，帮助它识别帧的开始。通常由一组交替的1和0组成，例如：10101010...。
• 帧开始定界符（SFD, Start Frame Delimiter）（1字节）：紧随前同步码之后，用于标识帧的正式开始。通常是固定的字节（10101011），与前同步码的最后一个字节不同。

8个字节，前7个都是_10101010_，最后一个是_10101011_；前7字节用于“唤醒”接收适配器，并将它们的时钟和发送方的时钟同步。第8个字节的最后两个比特(即两个‘1’)警告接收适配器重要的内容要来了。

3.1.2.3. 物理层上的表示

• 物理层表示（黄色部分）：
  • 数据在物理层上表示为一系列的比特流（0和1），这些比特流通过电信号或光信号在网络介质（如双绞线、光纤或无线电波）上传输。

3.1.3. MAC地址的结构

MAC地址可以分为两部分：

• 前24位（3字节）：组织唯一标识符（OUI, Organizationally Unique Identifier），由IEEE分配给设备制造商。例如，00:1A:2B。
• 后24位（3字节）：设备标识符（NIC Specific），由制造商自行分配，确保在其生产的设备中唯一。例如，3C:4D:5E。

一个示例MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5E。

https://www.wavecn.com/mac.php （这个网站可以查看MAC地址信息）

4. 网络层机制

4.1. 网络层功能

网络层是位于传输层和数据链路层之间的一个关键层。它的主要任务是负责在不同主机之间传输数据包，提供路由选择和逻辑地址的管理。在这层上工作的主要协议是IP协议。

网络层的主要功能包括：

1. 路径选择（Routing）： 负责根据目标地址选择数据包的传输路径。
2. 数据转发（Forwarding）： 将数据包从一台路由器转发到下一台路由器，直至到达目的地。
3. 逻辑地址管理（Logical Addressing）： 通过IP地址来标识网络中的每一台设备，确保数据能够到达正确的目的地。
4. 分片与重组（Fragmentation and Reassembly）： 在网络层可以将大数据包分割成更小的数据包（分片），然后在目的地重新组装。

网络层是无连接的，也就是说，在发送数据包前，它不会为每一个通信会话建立连接，数据包的发送是独立的，且无状态的。每一个数据包都单独寻址和处理，这也是为什么网络层的通信被称为"尽力而为"的服务。

4.2. IP协议

4.3 IP数据包结构

• 版本（Version）： 指示IP协议的版本（如IPv4或IPv6）。
• 头部长度（Header Length）： 指定IP头部的长度。
• 服务类型（Type of Service, ToS）： 用于指定数据包的优先级。
• 总长度（Total Length）： 指定整个数据包的长度（包括头部和数据）。
• 标识（Identification）： 用于数据报的分片和重组。
• 标志（Flags）： 用于控制或标识分片。
• 片偏移（Fragment Offset）： 用于指示数据片在原始数据报中的位置。
• 生存时间（Time to Live, TTL）： 指定数据包的最大跳数（即经过的路由器数量），TTL为0时，数据包将被丢弃。
• 协议（Protocol）： 指示数据部分使用的协议类型（如TCP或UDP）。
• 头部校验和（Header Checksum）： 用于验证IP头部的完整性。
• 源地址（Source Address）： 指示数据包的发送方IP地址。
• 目的地址（Destination Address）： 指示数据包的接收方IP地址。
• 选项（Options）： 可选字段，用于提供更多的控制功能。
• 数据（Data）： IP数据包的实际数据部分，通常是传输层的数据。