《网络是怎样连接的》（二.2）

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本文主要取材于《网络是怎样连接的》第二章 2.5 2.6章节。

简述：本文的主要内容是以太网的收发操作和 UDP协议的收发操作。

IP与以太网的包收发操作

包是什么构成的？

包是如何转发的？

路由器和集线器的分工？区别？

IP包的传输过程

IP和MAC 头部如何生成？

如何查询MAC 地址？使用ARP协议

包如何转化为光电信号？网卡机制

UDP协议

UDP协议和TCP协议最大的不同是什么？

UDP适合的场景？

简述：本文的主要内容是以太网的收发操作和 UDP协议的收发操作。

TCP模块给包加入TCP头部，并委托IP模块给包加上IP 和MAC 头部，IP包就生成了。IP包生成之后由网卡 MAC模块会将包从缓冲区中取出，并在开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列，然后转化为通用光电信号，再。由PHY（MAU）模块转换成可在网线中传输的格式，并通过网线发送出去。

包在转发过程中会经过集线器和路由器，路由器使用IP协议，集线器使用以太网即MAC协议。在转发的途中，包头的IP不会改变，但是包头的MAC地址会发生改变。简单理解IP为端到端，目的IP是不会变的，但是中间的中转节点设备即MAC地址会改变。（集线器和路由第三章会详解）

到达目的地之后，MAC模块再从头开始将信号转换为数字信息，检查FCS（即校验包的对错），再检查MAC地址是否相符，不符丢弃，相符网卡通知计算机收到包了，然后IP模块再检查IP地址是否相符以及是否分片（若分片等包到齐组装），将数据缓存下来等应用调取。

UDP是用于发短包，没有TCP的接收确认、窗口等机制，因此在收发数据之前也不需要交换控制信息，也就是说不需要建立和断开连接的步骤，只是负责发送包而已，遇到错误或者丢包也一概不管。

IP与以太网的包收发操作

IP包的结构

包是什么构成的？

包是由头部和数据两部分构成的（图2.14（a））。头部包含目的地址等控制信息，大家可以把它理解为快递包裹的面单；头部后面就是委托方要发送给对方的数据，也就相当于快递包裹里的货物。

包是如何转发的？

转发设备会根据头部中的信息判断接下来应该发往哪里。这个过程需要用到一张表，查表的结果是“目标地址为××××的包应该发到××××号线路”，那么转发设备就会把这个包发到××××号线路去。接下来，包在向目的地移动的过程中，又会到达下一个转发设备，然后又会按照同样的方式被发往下一个转发设备

路由器和集线器的分工？区别？

网络中有路由器和集线器两种不同的转发设备，它们在传输网络包时有着各自的分工。

（1）路由器需要使用IP头部，按照IP 协议传输包，根据目标地址判断下一个路由器的位置，在包的传输过程中，目标IP地址是不会改变的。

（2）集线器需要使用MAC头部，按照以太网协议传输包，负责在子网中将网络包传输到下一个路由，在包传输中目标MAC 地址会改变。

IP包的传输过程

1. 发送方将包的目的P地址写入IP头部中，IP协议就可以根据这一地址查找包的传输方向，从而找到下一个路由器的位置，也就是图2.16中的路由器R1。接下来，IP协议会委托以太网协议将包传输过去。这时，IP协议会查找下一个路由器的以太网地址（MAC地址），并将这个地址写入MAC头部中。这样一来，以太网协议就知道要将这个包发到哪一个路由器上了。

网络包在传输过程中（图2.16①）会经过集线器，集线器是根据以太网协议工作的设备。为了判断包接下来应该向什么地方传输，集线器里有一张表（用于以太网协议的表），可根据以太网头部中记录的目的地信息查出相应的传输方向。这张图中只有一个集线器，当存在多个集线器时，网络包会按顺序逐一通过这些集线器进行传输。

接下来，包会到达下一个路由器（图2.16②）。路由器中有一张IP协议的表，可根据这张表以及IP头部中记录的目的地信息查出接下来应该发往哪个路由器。为了将包发到下一个路由器，我们还需要查出下一个路由器的MAC地址，并记录到MAC头部中，大家可以理解为改写了MAC头部[插图]。这样，网络包就又被发往下一个节点了。

自我理解：可以把IP看作一个端到端的快递，即快递的起点和终点。把每一个路由器看作快递的中转点。在运输过程中，寄件人和收件人即IP包的发送地址和收件地址是固定的，不会改变的，但是经过的中转点是会发生改变的。而中转点地址是以MAC地址识别的，每中转一次，下一个目的中转点都会改变，因此 MAC地址是会改变的。

IP和MAC 头部如何生成？

包的发送一开始是TCP 模块委托IP模块，TCP 模块会在包的开头加入TCP头部，TCP模块还需要指定通信对象的IP地址，也就是需要写清楚“将什么内容发给谁”，然后传递给IP模块。IP模块会添加IP头部和MAC头部这两种头部。接下来，封装好的包会被交给网络硬件（网络硬件可以理解为网卡，有各种类型）（图2.17中的“②发送”），例如以太网、无线局域网等。包送达对方之后，对方会作出响应。返回的包也会通过转发设备发送回来，然后我们需要接收这个包。TCP会有不同的包，但是无论要收发的包是控制包还是数据包，IP对各种类型的包的收发操作都是相同的。

IP地址实际上并不是分配给计算机的，而是分配给网卡的，因此当计算机上存在多块网卡时，每一块网卡都会有自己的IP地址。很多服务器上都会安装多块网卡，这时一台计算机就有多个IP地址，在填写发送方IP地址时就需要判断到底应该填写哪个地址。

MAC头部的开头是接收方和发送方的MAC地址，它们和IP头部中的接收方和发送方IP地址的功能差不多，只不过IP地址的长度为32比特，而MAC地址为48比特。

如何查询MAC 地址？使用ARP协议

ARP就是利用广播对所有设备提问：“××这个IP地址是谁的？请把你的MAC地址告诉我。”然后就会有人回答：“这个IP地址是我的，我的MAC地址是××××。”

将查询结果放到一块叫作ARP缓存的内存空间中留着以后用。在发送包时，先查询一下ARP缓存，如果其中已经保存了对方的MAC地址，就不需要发送ARP查询，直接使用ARP缓存中的地址，而当ARP缓存中不存在对方MAC地址时，则发送ARP查询。

包如何转化为光电信号？网卡机制

IP生成的网络包只是存放在内存中的一串数字信息，需要将数字信息转换为电或光信号，才能在网线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程。

负责执行这一操作的是网卡，但网卡也无法单独工作，要控制网卡还需要网卡驱动程序。网卡的ROM中保存着全世界唯一的MAC地址，这是在生产网卡时写入的，将这个值读出之后就可以对MAC模块进行设置。

网卡结构

网卡驱动从IP模块获取包之后，会将其复制到网卡内的缓冲区中，然后向MAC模块发送发送包的命令。MAC模块会将包从缓冲区中取出，并在开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列（图2.24）。

报头是一串像10101010…这样1和0交替出现的比特序列，长度为56比特，它的作用是确定包的读取时机。当这些1010的比特序列被转换成电信号后，会形成如图2.25这样的波形。

用电信号来表达数字信息时，我们需要让0和1两种比特分别对应特定的电压和电流；接收通过测量信号中的电压和电流变化，还原出0和1两种比特的值。当信号连续为1或连续为0时，比特之间的界限就会消失，可将时钟信号叠加进去帮助判断出比特之间的界限。

发送信号的操作分为两种，一种是使用集线器的半双工模式，另一种是使用交换机的全双工[插图]模式。在半双工模式中，为了避免信号碰撞，首先要判断网线中是否存在其他设备发送的信号。如果有，则需要等待该信号传输完毕，因为如果在有信号时再发送一组信号，两组信号就会发生碰撞。首先，MAC模块从报头开始将数字信息按每个比特转换成电信号，然后由PHY，或者叫MAU的信号收发模块发送出去[插图]。在这里，将数字信息转换为电信号的速率就是网络的传输速率，例如每秒将10Mbit的数字信息转换为电信号发送出去，则速率就是10 Mbit/s。

网卡的MAC模块生成通用信号，然后由PHY（MAU）模块转换成可在网线中传输的格式，并通过网线发送出去。以太网不会确认发送的信号对方有没有收到。根据以太网的规格，两台设备之间的网线不能超过100米。

在发送信号的过程中，有很小的可能性出现多台设备同时进行发送操作的情况。如果有其他设备同时发送信号，这些信号就会通过接收线路传进来。在使用集线器的半双工模式中，一旦发生这种情况，两组信号就会相互叠加，无法区分，这就是所谓的信号碰撞。这种情况下，继续发送信号是没有意义的，因此发送操作会终止。为了通知其他设备当前线路已发生碰撞，还会发送一段时间的阻塞信号，然后所有的发送操作会全部停止。

接收返回包

在使用集线器的半双工模式以太网中，一台设备发送的信号会到达连接在集线器上的所有设备。PHY （MAU）模块会将信号转换成通用格式并发送给MAC模块，MAC模块再从头开始将信号转换为数字信息，并存放到缓冲区中。当到达信号的末尾时，还需要检查FCS。如果FCS校验没有问题，接下来就要看一下MAC头部中接收方MAC地址与网卡在初始化时分配给自己的MAC地址是否一致，一致则放在缓存区，否则丢弃。MAC模块工作完成，网卡会通知计算机收到了一个包。

当网卡发起中断时，就会自动调用网卡驱动了。网卡驱动被中断处理程序调用后，会从网卡的缓冲区中取出收到的包，并通过MAC头部中的以太类型字段判断协议的类型。
接下来就轮到IP模块先开始工作了，第一步是检查IP头部，确认格式是否正确。如果格式没有问题，下一步就是查看接收方IP地址，若错误，客户端计算机不负责对包进行转发，IP模块会通过ICMP消息将错误告知发送方。如果接收方IP地址正确，则这个包会被接收下来，这时还需要完成另一项工作。
IP协议有一个叫作分片的功能（分片简单理解大包被切分为了小包）当收到分片的包时，IP模块会将其暂存在内部的内存空间中，然后等待IP头部中具有相同ID的包全部到达，这是因为同一个包的所有分片都具有相同的ID。IP头部还有一个分片偏移量（fragment offset）字段，它表示当前分片在整个包中所处的位置。根据这些信息，在所有分片全部收到之后，就可以将它们还原成原始的包，这个操作叫作分片重组
IP模块工作结束，TCP模块会根据IP头部中的接收方和发送方IP地址，以及TCP头部中的接收方和发送方端口号来查找对应的套接字。找到套接字，确认返回包，缓存数据等待应用过来取数据，结束。