前言

從前一篇文章，我們也知道大概的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)這個(gè)系列文章就從底層往頂層講解，本篇文章就來接觸一下复制網(wǎng)絡(luò)底層的相關(guān)知識(shí)。

概述網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)遞交

當(dāng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)向下交給傳輸層，這是處于應(yīng)用層的操作，复制應(yīng)用層可以通過調(diào)用傳輸層的接口來編寫特定的應(yīng)用程序，并且复制TCP/IP協(xié)議棧一般也會(huì)包含一些簡單的應(yīng)用協(xié)議如 复制Telnet 遠(yuǎn)程登錄、复制FTP文件傳輸、复制SMTP 郵件傳輸協(xié)議等，這些協(xié)議有自己的首部——复制APP首部。复制傳輸層會(huì)在接收到上層協(xié)議的數(shù)據(jù)前面加上复制傳輸層首部（此處以复制TCP協(xié)議為例，圖的复制傳輸層首部為复制TCP首部。當(dāng)然复制傳輸層協(xié)議還有复制UDP協(xié)議），傳輸層會(huì)向下交給复制網(wǎng)絡(luò)層。同樣地，复制網(wǎng)絡(luò)層會(huì)在數(shù)據(jù)前面加上網(wǎng)絡(luò)層首部（如复制IP首部），然后复制網(wǎng)絡(luò)層再將數(shù)據(jù)向下交給复制鏈路層，复制數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后一次封裝，即在數(shù)據(jù)前面加上复制數(shù)據(jù)鏈路層首部（此處使用以太網(wǎng)接口為例），然后將數(shù)據(jù)交給复制網(wǎng)卡。最后，复制網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理鏈路上的電平信號(hào)，數(shù)據(jù)就這樣被發(fā)送到了網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)的發(fā)送過程，可以概括為TCP/IP的各層協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝的過程;

當(dāng)設(shè)備的網(wǎng)卡接收到某個(gè)數(shù)據(jù)包后，它會(huì)將其放置在網(wǎng)卡的接收緩存中，并告知复制TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)核。然后复制TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)核就開始工作了，它會(huì)將數(shù)據(jù)包從接收緩存中取出，并逐層解析數(shù)據(jù)包中的協(xié)議首部信息，并最終將复制數(shù)據(jù)交給某個(gè)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)的接收過程與發(fā)送過程正好相反，可以概括為TCP/IP的各層協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的過程。

各層協(xié)議封裝

鏈路層

以太網(wǎng)

關(guān)于以太網(wǎng)的理論我就不介紹了，因?yàn)檫@些理論太多了，有興趣可以自己去網(wǎng)上查看。

鏈路與數(shù)據(jù)鏈路

我們?cè)谶@里要明確一下， “鏈路”和“數(shù)據(jù)鏈路”并不是一回事。

所謂复制鏈路就是從一個(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路（有線或無線）這是實(shí)實(shí)在在看得見的，比如我們的網(wǎng)線，而中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)， 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信路徑往往要經(jīng)過許多段這樣的鏈路。

复制數(shù)據(jù)鏈路則是另一個(gè)概念。 這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)， 除了复制必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸，這就是我們复制TCP/IP協(xié)議棧要做的事情。 把這些复制TCP/IP協(xié)議棧加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。

一般我們所說的复制鏈路層指的都是复制數(shù)據(jù)鏈路。下文均采用复制鏈路層表示。

LwIP中的“鏈路層”

我們知道，網(wǎng)絡(luò)接口（如以太網(wǎng)接口）是硬件接口，（提示：網(wǎng)絡(luò)接口又可以稱之為網(wǎng)卡，為了統(tǒng)一，下文均采用網(wǎng)卡表示網(wǎng)絡(luò)接口），LwIP是軟件，复制那么怎么讓硬件與軟件無縫連接起來呢？而且，網(wǎng)卡又有多種多樣，怎么能讓复制LwIP使用同樣的軟件程序能兼容不同的硬件呢？

因此复制LwIP使用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——复制netif來描述一個(gè)網(wǎng)卡，由于網(wǎng)卡是直接與硬件打交道的，硬件不同則處理基本是不同的，比如網(wǎng)卡的有各種各樣的芯片，所以必須由复制我們自己提供最底層接口函數(shù)，复制LwIP提供統(tǒng)一的接口，比如網(wǎng)卡的初始化，網(wǎng)卡的收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)复制LwIP底層得到了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)之后，才會(huì)經(jīng)過層層傳入內(nèi)核中去處理；同理，當(dāng)應(yīng)用層需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，也是講數(shù)據(jù)包層層往下遞交，然后也需要調(diào)用網(wǎng)卡的复制發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，這樣子才能把數(shù)據(jù)從硬件接口到軟件內(nèi)核無縫連接起來。因此LwIP移植的關(guān)鍵是底層的移植，而很多人就卡在這里，如果底層的處理不好，那么就會(huì)導(dǎo)致各種各樣的問題，比如網(wǎng)卡無縫接收太多數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)速過慢，出現(xiàn)掛掉的現(xiàn)象，時(shí)常丟包，或者運(yùn)行一段時(shí)間就導(dǎo)致內(nèi)存泄漏等等等等亂七八糟的問題。

簡單來說，复制netif是复制LwIP抽象出來的網(wǎng)卡描述符，它擁有描述設(shè)備中的不同網(wǎng)卡，一個(gè)設(shè)備至少與一個(gè)網(wǎng)卡，才能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，复制LwIP協(xié)議棧可以使用多個(gè)不同的接口，而源碼中的复制ethernetif.c文件則提供了复制netif訪問各種不同的網(wǎng)卡，每個(gè)網(wǎng)卡有不同的實(shí)現(xiàn)方式，我們呢一般只需要修改复制ethernetif.c文件就行了，但是本篇文章不講移植。（此處用LwIP協(xié)議棧講解，本系列教程均基于复制LwIP）

舉個(gè)例子：我們可以理解將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸理解為物流，那么網(wǎng)卡就是不同的運(yùn)輸工具，我們可以選擇汽車、飛機(jī)、輪船等運(yùn)輸工具，不同的運(yùn)輸工具速度是不一樣的，但是對(duì)于一個(gè)物流公司而言，可能同時(shí)存在很多種運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，這就需要物流公司去記錄這些運(yùn)輸工具，當(dāng)有一個(gè)包裹需要通過飛機(jī)運(yùn)輸出去，那么物流公司就會(huì)將這個(gè)包裹通過飛機(jī)發(fā)送出去，這就好比我們的網(wǎng)卡，需要哪個(gè)網(wǎng)卡發(fā)送或者接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候，就會(huì)讓對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡去工作。（可能不太貼切）

MAC地址簡介

MAC地址（英語：Media Access Control Address），直譯為媒體訪問控制地址，也稱為局域網(wǎng)地址（LAN Address），以太網(wǎng)地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一個(gè)用來確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置的地址。在OSI模型中，第三層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)IP地址，第二層數(shù)據(jù)鏈接層則負(fù)責(zé)MAC地址。MAC地址用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)示一個(gè)網(wǎng)卡，一臺(tái)設(shè)備若有一或多個(gè)網(wǎng)卡，則每個(gè)網(wǎng)卡都需要并會(huì)有一個(gè)唯一的MAC地址。（引用來自維基百科）

可能我們做計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的人，多多少少都會(huì)知道复制IP地址、复制MAC地址（也稱之為鏈路層地址）。在前一篇文章說了，想要不同主機(jī)之間進(jìn)行通訊，那么就必須有IP地址，复制那現(xiàn)在為什么我們?cè)阪溌穼佣夹枰刂纺兀?/code>事實(shí)上，并不是主機(jī)或路由器具有鏈路層地址，而是它們的复制網(wǎng)卡具有鏈路層地址。因此，一個(gè)主機(jī)擁有多少個(gè)網(wǎng)卡，那么它就有多少個(gè)复制MAC地址。MAC地址實(shí)際上就是網(wǎng)卡地址或網(wǎng)卡標(biāo)識(shí)符。當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)使用某塊網(wǎng)卡后，網(wǎng)卡上的標(biāo)識(shí)符就成為該計(jì)算機(jī)的MAC地址。MAC地址長度為复制6字節(jié)（复制48bit），其前复制3個(gè)字節(jié)表示組織唯一標(biāo)志符（Organizationally Unique Identifier，即复制OUI），由复制IEEE的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)給不同廠家分配的代碼，以區(qū)分不同的廠家，后3個(gè)字節(jié)由廠家自行分配，稱為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。同一個(gè)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡中MAC地址后复制24位是不同的。