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网络协议栈

news 来源：原创 2025/4/29 17:14:44

网络协议栈的位置

用户在应用层的各种请求最终会下达给操作系统，操作系统内除了进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理之外，还有一个内嵌的软件协议栈，协议栈将用户的数据进行各种封包后，通过网卡将数据传递到网络当中，数据在网络内部经过各种路由转发，最终将数据传送到了目标服务器。

网络协议栈各部分所处位置：

应用层是位于用户层的。这部分代码是由网络协议的开发人员来编写的，比如HTTP协议、HTTPS协议以及SSH协议等。
传输层和网络层是位于操作系统层的。其中传输层最经典的协议叫做TCP协议，网络层最经典的协议叫做IP协议，这就是我们平常所说的TCP/IP协议。
数据链路层是位于驱动层的。其负责真正的数据传输。

网络协议栈中各层的功能

物理层
传输原始比特流（0/1），定义电压、光信号等物理特性。
数据链路层
节点间帧传输（如 MAC 地址），错误检测（CRC 校验），控制物理层访问。（负责数据真正的发送过程）
网络层
IP 地址寻址与路由选择（如路由器跨网络转发数据包）。（发去哪）
传输层
端到端可靠传输（TCP）或快速传输（UDP），通过端口号区分应用。
应用层
为应用程序提供协议（HTTP/FTP/DNS 等），直接处理用户数据

层状结构的本质是软件工程上面的解耦，此时层与层之间只有接口的相互调用关系，此时我们就可以让研究不同领域的开发人员编写不同层的代码，最后再将各层的代码联调起来，由于每一层的代码都是对应领域的专业人员编写的，因此代码联调后整体的性能也是很高的。

并且这样的层状结构可以增加代码的可维护性和可扩展性。比如有一天你觉得数据链路层的代码已经无法承担起通信的能力了，那么此时我们就可以用一个新的协议对它进行替换，而其他各层对应的协议都不用换，这就叫做可扩展性。而如果协议栈的某一层出现了问题，我们只要确定了是哪一层出了问题，就可以直接去对应层去找问题，这就叫做代码的可维护性。

MAC 地址

定义：唯一标识网络设备的物理地址，固化在网卡中，格式为00:1A:2B:3C:4D:5E（6 字节）。
作用：在局域网（如以太网）中直接定位设备，数据链路层通过 MAC 地址实现设备间帧的精确投递。
特点：
前 3 字节为厂商标识（由 IEEE 分配），后 3 字节由厂商自定义。
用于交换机 / 路由器转发数据时构建 MAC 地址表。

CRC 校验（循环冗余校验）
定义：一种数据链路层的错误检测技术，通过数学算法生成校验码，附加到数据帧尾部。
原理：发送方用生成多项式（如 CRC-32）计算数据的余数作为校验值；接收方重新计算并比对，不一致则判定数据损坏。
特点：
检测能力极强（如 CRC-32 可检测所有≤32 位的突发错误）。
仅用于检错，不纠错（发现错误后直接丢弃帧，触发重传）。

#include <iostream>
#include <vector>

// 计算 CRC-16 校验值
uint16_t crc16(const std::vector<uint8_t>& data) {
    const uint16_t polynomial = 0x8005;
    uint16_t crc = 0xFFFF;

    for (uint8_t byte : data) {
        crc ^= static_cast<uint16_t>(byte) << 8;
        for (int i = 0; i < 8; ++i) {
            if (crc & 0x8000) {
                crc = (crc << 1) ^ polynomial;
            } else {
                crc <<= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

int main() {
    std::vector<uint8_t> data = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
    uint16_t result = crc16(data);

    std::cout << "CRC-16 校验值: 0x" << std::hex << result << std::endl;
    return 0;
}

不同协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧