TCP/IP之一：网络结构与网络接口层

TCP/IP的层次结构如图1所示，是一个四层结构，各层的核心协议都已经包含在途中，
需要指出的是：
（1）ICMP虽然是放在网络层，但是ICMP也是需要先封装成IP数据包再交给网络接口层的，同理，ARP和RARP也得先由网络接口层封装成帧，再在物理链路上传输。
（2）各层网络协议之间只要接口固定，彼此之间就可以互相通信，各层协议内部实现是自由的，最能体验这一点的是网络层与网络接口层，虽然一般网络层都是运行IP等协议，但是网络接口层确往往有多种选择，比如以太网、令牌总线、令牌环网、FDDI等。
（3）处于互联网中的所有运用TCP/IP进行网络通信的主机操作系统都实现了TCP/IP协议栈，这样，当处理网络中的两台主机想彼此通信时，其数据传输过程如图2所示。



图1


图2 图2中的应用层数据途径各层网络协议传输过程如图3所示，数据由上望下传输时，每一层都会在上层传下来的数据前面加个首部，以太网不仅仅加首部，还加尾部。图3中的应用层首部是可选的，可有可无，视应用程序需求而定。在接收端数据由下往上传输，各层会一次取下自己的首部及尾部。



图3 以上是TCP/IP网络的总体结构及数据传输模型，接着我们逐层学习各层的协议，我们由下往上，从底层出发。
网络接口层负责封装数据在物理链路上传输，屏蔽了物理传输的细节，它一方面从网络层拿数据，然后封装发送出去；另一方面是接收数据提交给网络层。
总结而言，它主要是为网络层的IP服务的。
网络接口层中最为著名，应用最为广泛的是以太网，以太网帧格式如下：

帧头8

目的地址6

源地址6

类型域2

数据域46-1500

CRC4

对于以太网的帧格式，需要注意一下几点：
（1）各种图中数字说明的是各字段的字节数，如帧头8表示帧头占8个字节。
（2）各字段的说明：帧头用于同步接收机，并且标识一帧的开始；接下来是目的地址和源地址分别6字节；类型域2个字节，类型域说明数据域放的是哪种类型的数据，ARP,RARP还是IP? 因为这三种数据都需要封装成以太网帧在物理链路上传输，也就是说以太网帧不仅仅是为IP服务的，还为ARP和RARP服务；然后是数据域，数据域的大小由46字节到1500字节，这个取值范围在（3）中说明；最后是4字节的CRC循环冗余校验，对校验码感兴趣的读者可以参考相关信道编码的书籍，如果不想深究，只要知道通过这个校验码我们就可以判断出数据有误出错就行了，这个CRC校验是针对数据域的。
（3）数据域之所以有46-1500这样一个范围，是有原因的。之所以有46的最小长度限制，主要是由于CSMA/CD协议的需要，具体参考http://blog.csdn.net/ericming200409/archive/2010/06/06/5650542.aspx ；之所以有1500的上限限制是比较好理解的，因为如果帧太大的话，一个主机占用链路时间太长，带来不好的用户体验。
（4）由于数据域有了上限和下限的限制，这就引发了一个问题，网络层传下来的数据少于46字节怎么办？或者多于1500字节又怎么办？事实上，ARP和RARP的数据域是28字节，是比46字节少的。对于大于1500字节的数据包，IP层是需要进行IP分片的，这等到网络层的时候再仔细介绍；对于少于46字节的数据包，采用的办法是填充0。
（5）MTU:即最大传输单元，是网络接口层的重要概念之一，在以太网中其大小往往就是我们刚刚所说的1500字节。在linux中可以通过命令ifconfig或者netstat的查看主机的所有接口及其MTU。
（6）在用ifconfig或者netstat的查看主机的所有接口及其MTU的时候，我们会发现LO接口，即环回接口，环回接口也是运行在网络接口层，它负责处理发送给本机的数据，发送给网络上其它主机的数据由以太网驱动程序负责发送。