网络分层模型与常用的协议格式 和ARP 协议

物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1

网络层：在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。

传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。

会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。

应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

 TCP/IP四层模型
 
TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。

 通信过程

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：

 协议格式

数据包封装
传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供，应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示：

注意：数据在没有封装之前是不能在网络中传递的。

TCP/TP数据包封装

不同的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（frame）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示：

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。可在shell中使用ifconfig命令查看，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU，则需要对数据包进行分片（fragmentation）。ifconfig命令输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧头长度。

根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。

源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。

每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

ARP数据报的格式：

源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节），op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

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一、ARP 技术背景
1.1、网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须包含目的MAC地址。因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址而获取目的MAC地址的过程是由ARP协议来实现的。

1.2、

ARP 报文格式 

主要参数 

• 硬件类型：2字节，值为1表示以太网地址
• 协议类型：2字节，0x0800表示IP地址
• 硬件地址长度：1字节，数值为6
• 协议地址长度：1字节，数值为4
• 操作代码：2字节，1表示请求报文，2表示应答报文
• 源MAC地址：6字节
• 源IP地址：4节字
• 目的MAC地址：6字节
• 目的IP地址：4节字

1.3、ARP 报文的以太网封装格式 

ARP是个独立的三层协议，并不需要IP协议封装，而是直接生成自己的报文，到达数据链路层后，由数据链路层协议进行封装，一般是以太网协议。封装的过程，就是在ARP报文的前面加上以太网帧头，再加上4字节的冗余校验码结尾，校验码用于检验数据传输是否出现损坏。

以太网帧头一共14个字节，包含目的MAC地址、源MAC地址、帧类型三个字段，如下所示：

主要参数 

以太网目的地址：6字节，如果是ARP请求报文，该字段为广播MAC地址
以太网源地址：6字节
帧类型：2字节，0x0806表示是ARP协议
帧校验：4字节
1.4、以太网帧最小长度是64个字节，最长1518个字节。封装后的ARP帧，实际就是一个最小以太网帧，包含14个字节的以太网帧头，28个字节的ARP报文，4个字节的以太网帧尾，一共是46个字节，其余18个字节用0来填充，共计64个字节。