Linux之网络基础(二)

局域网络传输流程图

封装的本质

1. 核心定义

封装：发送端自上而下，每层在上层交付的有效载荷 (payload) 前追加本层协议报头 (header)，数据逐层打包。完整报文通用公式： 完整报文 = 本层报头(header) + 上层交付的有效载荷(payload)

2.协议 = 结构体，报头 = 结构体变量

在 C 语言视角理解（网络内核底层实现）：

每一层协议（TCP、IP、以太网协议）本质都是提前定义好的结构体，规定报头里面有哪些字段（源地址、目标地址、长度、校验和等）
发送数据时，内核创建这个结构体变量，填充各项控制信息，这个结构体实例就是报头
报头后面拼接上层传来的数据（有效载荷），组合成本层完整报文

举例：IP 协议就是内核定义的 struct iphdr 结构体，发送数据包时填充这个结构体，拼上 TCP 报文段，组成完整 IP 数据包。

3. 每层协议必须完成两件核心工作

分离报头和有效载荷 收到报文之后，能够区分：哪一部分是本层协议的控制报头，哪一部分是交给上层的数据载荷。依靠结构体固定大小 + 长度字段解析。
识别上层协议，交付给正确上层协议 本层剥离报头后，要知道这个载荷该交给上层哪一个协议处理。

例子：IP 报头里面有协议字段，标识载荷是 TCP (6) 还是 UDP (17)，内核根据这个字段，把数据交给 TCP 模块或 UDP 模块。

协议本质是一个结构体类型

而报头就是一个结构体变量

跨网络传输的流程

IP

一、IP 协议版本区分

IP 协议存在两大版本：IPv4、IPv6 课件约定：若无特殊说明，提到 IP 默认指代 IPv4

IPv4：32 位（4 字节），目前广泛使用，但公网地址资源枯竭
IPv6：128 位（16 字节），用来解决 IPv4 地址耗尽问题，逐步推广

二、IPv4 地址核心知识点

1. IP 地址作用

IP 地址工作在网络层，用来在整个互联网范围内，唯一标识一台主机。 MAC 只管局域网内相邻设备；IP 负责跨网段全网寻址。

2. IPv4 地址格式

底层本质：32 位二进制整数（4 字节）
人类可读写法：点分十进制 写法范例：192.168.0.1 规则：使用小数点分割 4 段数字，每一段代表 1 字节（8bit），取值范围 0 ~ 255 举例拆解：192.168.0.1 分为 4 个字节：192、168、0、1

底层存储是完整 32 位整数，点分十进制只是方便人阅读的展示形式，程序内部传输使用二进制。

IP侧重点更多是:标识公网中唯一一台主机(类似于学生的学号)

MAC vs IP

两套地址

1.src: 东土大唐 dst:西天 ---->从哪来到哪去 ---->IP地址

2.last_src:车迟国 last_dst:女儿国 ----->上一站从哪来,下一站到哪去 -------MAC地址

IP 地址（网络层）

作用：在整个互联网范围内，标识通信的起点主机和终点主机。
特点：数据包从发送方到接收方的全过程中，源 IP 和目的 IP 始终保持不变。
类比：唐僧的出发地「东土大唐」和目的地「西天」，不管中间经过多少国家，起点终点不变。

MAC 地址（数据链路层）

作用：在同一个局域网内 ，标识相邻两个设备，完成这一跳的数据交付。
特点：数据包每经过一个路由器（每一跳），源 MAC 和目的 MAC 都会被重新改写。
类比：唐僧当前这一段路，是从「车迟国」走到「女儿国」；走完这段，下一段就变成从「女儿国」走到「火焰山」------ 每一段路的起止点都在变。

为什么需要两套地址？只用一套不行吗？

核心原因：两套地址分工不同，缺一不可。

只用 IP 地址行不行？

不行。IP 地址是逻辑地址，可以动态变化（比如手机从家里 WiFi 切到校园网，IP 就变了）。而数据链路层（网卡、交换机）只认识 MAC 地址，不认识 IP。交换机靠 MAC 地址把帧送到正确的设备，没有 MAC，局域网内部根本无法交付数据。
只用 MAC 地址行不行？

也不行。MAC 地址是网卡出厂固化的，48 位扁平地址，没有层次结构，无法用来做路由选路。互联网有几十亿台设备，如果靠 MAC 地址寻址，每台路由器都要记住全世界所有 MAC，路由表会爆炸。而 IP 地址是分层的（网络号 + 主机号），路由器可以按网络号聚合路由，大大减小路由表规模。

路由器核心处理流程

路由器不会完整解封装到传输层 / 应用层，只解封装到网络层

收到以太网帧：剥离以太网二层头部（以太网帧头、CRC），取出里面的 IP 数据包
读取 IP 报头的目的 IP，查询路由表，确定转发下一跳
重新封装二层帧 ：因为对端是令牌环网络，不再使用以太网帧，改用令牌环帧头封装 IP 数据包
通过令牌环链路，转发给目标局域网内的 FTP 服务器

路由器转发时：IP 数据包整体保留（源 IP、目的 IP 不变），二层帧完全重封装，适配不同底层链路 这也是路由器可以连接以太网、令牌环、PPP 等多种异构网络的根本原因

场景

用户 A（IP：192.168.2.2，MAC：macA）要给用户 B（IP：172.168.2.2）发数据：你好。

网络层的核心判断

网络层不知道主机具体是谁，但可以知道：当前报文是发给「自己局域网」还是「其他网络」。

网络层拿到目的 IP 172.168.2.2，和自己的 IP 192.168.2.2 对比，发现不在同一个网段。

路由决策

路由：发现不是发给自己局域网主机的报文，就推送给路由器。

既然目标不在本局域网，数据链路层封装帧时：

源 MAC ：macA（自己的网卡）
目的 MAC ：macLeft（路由器左侧网卡的 MAC，不是目标主机的 MAC！）

关键：跨网段通信时，二层帧的目的 MAC 填的是下一跳路由器的 MAC，不是最终目标主机的 MAC。因为 MAC 只负责相邻设备一跳交付。

同局域网其他主机的反应

交换机把帧广播到局域网所有主机，其他主机（192.168.2.3、192.168.2.4）收到帧后，对比目的 MAC，发现不是自己的 MAC，直接丢弃。只有路由器左侧网卡匹配 MAC，接收这个帧

路由器的处理流程

路由器不会把数据完整解封装到应用层，只解封装到网络层：

解封装二层 ：剥离以太网帧头（src:macA, dst:macLeft），取出里面的 IP 数据包。
读 IP 头部 ：查看目的 IP 172.168.2.2，查询路由表，确定下一跳是右侧局域网，从右侧网卡转发。
重新封装二层帧 （课件标注：「向下交互要重新封装」）：
- 源 MAC ：改为路由器右侧网卡的 MAC macRight
- 目的 MAC ：改为目标主机 B 的 MAC macB
- IP 数据包整体原封不动 （src:192.168.2.2, dst:172.168.2.2, data:你好）

✨ 核心结论：

IP 层：源 IP、目的 IP 全程不变（网络层收发的是同一个报文）

二层帧：源 MAC、目的 MAC 每经过一跳路由器就重新封装

目标主机 B 接收

B 的网卡收到帧，对比目的 MAC macB，匹配成功，接收帧；逐层解封装，最终把你好交给应用层。

局域网标准并不统一 → 标准不同，实现方式不同 → 会阻碍互联网发展

现实中存在多种局域网技术：以太网、令牌环、Wi-Fi...... 它们的帧格式、MAC 寻址方式都不一样。如果没有统一的上层标准，不同局域网之间根本无法互通。

IP 协议的作用：屏蔽底层差异

IP 网以上标准统一

IP 协议在网络层提供了一套统一的地址格式（IP 地址）和统一的报文格式（IP 数据包）。不管底层是以太网还是令牌环，到了网络层以上，全部用统一的 IP 报文交互。

路由器的地位

路由器是实现 IP 通信的最重要硬件

IP地址在整个路由过程中，一直不变(目前，我们只能这样说明，后面在修正)

Mac地址一直在变

目的IP是一种长远目标，Mac是下一阶段目标，目的IP是路径选择的重要依据，mac地址是局域网转发的重要依据