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TCP/IP协议---局域网和外网通信

通信的数据包格式

如果了解TCP/IP协议,可能会想到,如果要上网,肯定需要通过TCP/UDP收发数据,底层是IP和以太网层。正常的数据包发送后包含以下内容:

数据包
TCP头 + 数据包
IP头 + TCP头 + 数据包
以太网头 + IP头 + TCP头 + 数据包

数据被一层一层封装,其中比较重要的信息是:

  • 以太网头中的MAC地址
  • IP头中的ip地址
  • TCP头中的端口号

有了以上三个信息,数据包就知道从哪来,要到哪去。

局域网通信方式

当数据包到达ip层后,ip层首先判断数据包要给谁,如何判断呢,就通过子网掩码来判断,见代码

//通过子网掩码判断是否为同一个网络(局域网)
(ip_addr_netcmp(dest, &(netif->ip_addr), &(netif->netmask)))

/**
 * Determine if two address are on the same network.
 *
 * @arg addr1 IP address 1
 * @arg addr2 IP address 2
 * @arg mask network identifier mask
 * @return !0 if the network identifiers of both address match
 */
#define ip_addr_netcmp(addr1, addr2, mask) (((addr1)->addr & \
                                              (mask)->addr) == \
                                             ((addr2)->addr & \
                                              (mask)->addr))

我们知道局域网的物理层的通信,是通过mac地址来唯一区分具体设备的。那么MAC地址如何知道的呢? 因为ip地址和mac地址是一一对应的,所以有了ip地址就可以知道mac地址了,如何转换呢,那就需要ARP来帮忙了。

ARP

ARP统称为地址转换协议,负责将IP地址转换为mac地址。转换方式其实也很简单,本机广播一个ARP请求,这其中包含谁有ip地址192.168.x.x,请回答,这个时候包含该ip地址的机器会做出应答,应答内容包含我是ip地址192.168.x.x,我的mac地址为xx:xx:xx:xx:xx:xx
一般设备都包含一个arp缓存,这样就不需要每次发送都请求一下了,看一下lwip中的缓存arp_table

for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; i++) {
      if ((arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE) &&
          (ip_addr_cmp(dst_addr, &arp_table[i].ipaddr))) {
        /* found an existing, stable entry */
        ETHARP_SET_HINT(netif, i);
        return etharp_output_to_arp_index(netif, q, i);
      }
    }

外网通信发送

如果上面ip_addr_netcmp判断为不在同一个网内,那又如何通信呢,有点基础的可能会想到,这个数据包需要发给路由器了。那如何发给路由器的呢?有人可能会说通过ARP来获得mac地址然后发出去嘛。是的,的确是这样的,但在这之前还经历了一个步骤叫查找路由表

路由表

路由表会告诉我们路由器的ip地址,让路由器去负责数据包转发到外网。一般情况路由表就是指我们配置的网关,通过netstat -rn

$ netstat -rn
内核 IP 路由表
Destination     Gateway         Genmask         Flags   MSS Window  irtt Iface
0.0.0.0         192.168.39.1    0.0.0.0         UG        0 0          0 eth1
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U         0 0          0 eth1

说明 每一行表示一个路由表项,第一行中的第一列为0.0.0.0,这是一个默认路由表表项。每个主机都有一个或多个默认路由。

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