从IP数据包到端口发送究竟经历了什么？

拼搏现实的明天。 2022-04-27 18:02 184阅读 0赞

我一直以为IP数据包，到物理层发送这之间不再有什么操作性了。因为在平常的交流中谈协议，谈到IP这一层基本就止住了，仿佛IP打包后就可以直接发送了是的。然而当我读了《TCP/IP详解卷一：协议》后，我才发现其中并没有那么简单。也许是因为接近真实世界的原因，不同的网络连接方式最终封装的IP都不太一样。

## 以太网和IEEE 802 ##

以太网和IEEE 802是最常见的两种协议，它们的数据报如下：

目的地址和原地址指的就是物理地址（MAC地址），它们是通过ARP协议获取的（下文会介绍）。

我们将目光放到封装的数据部分，可以看到封装的三种报文（IP、ARP、RARP）类型是一致的，但是后面的数据长度范围并不一致。IEEE802的最小值是36字节（PAD 代表填充字节的意思），而以太网的是46。

在观察除了数据以外的部分，会发现他们源地址、目的地址都在开头并占据相同长度，尾部都是4字节的CRC（检验码），不一样的是IEEE802比以太网多占用了8个字节（长度+几个不明就里的固定字段）。

在我看来以太网应该是IEEE 802的升级版（因为减少了一些不需要的固定字节的占用），然而以太网出现的时间比IEEE 802提前，也就是说IEEE 802才是升级版。更神奇的是RFC标准规定，以太网必须支持而IEEE选择支持。然而我查找了半天资料没有发现两个同时存在的原因，因此我能想到的IEEE 802存在的原因是历史商业竞争的产物了。

## ARP：地址解析协议 ##

ARP（Address Resolution Protocol）为协议地址（通常是IP，也就是说可以用在非IP协议上）到硬件地址之间提供一种映射。主要不是用于消息通信，而是为了消息通信而查出硬件地址。

用于以太网的ARP请求或应答报文如下：

*  帧类型：表示后面的数据类型，应答或请求（0X0806）
 *  硬件类型：表示硬件地址的类型，值为 1即表示以太网地址
 *  协议类型：表示要映射的协议地址类型。它的值为 0x0800 即表示IP地址
 *  硬件地址长度/协议地址长度：单位byte
 *  op：代表操作，发送为响应报文时为2

硬件类型和协议类型决定最后4个字段（源硬件地址、源协议地址、目的硬件地址、目的协议地址）的长度和内容

**解析过程：**

1.  ARP发送请求到广播地址（物理地址每个bit都为1，FF:FF:FF:FF:FF:FF）
2.  与ARP请求的目标IP地址对应的主机，填充上地址段
3.  根据请求端的地址直接将响应报文发送回请求主机

主机在接收到请求或响应ARP报文时，会将地址缓存下来。完整的表项（能够正常响应的）一般为20分钟，不完整的表项（未被正常响应的）一般为3分钟。可以通过指令`arp`进行查看。

## SLIP：串行线路IP ##

SLIP(Serial Line IP)是一种对IP数据报进行封装的简单形式，适用于RS-232串行端口和高速调制解调器接入Internet。RS-232常见于液晶显示屏与电脑的链接。

RS-232数据线：

SLIP数据报：

从数据报可以看出SLIP协议是一种很简单的协议，除了头尾字段用于区分数据报，然后将数据报中会影响判断的（标志字节：0xc0，转义字节：0xdb）进行转义就完成了封装可以进行发送了。

**优点：**

简单、字节少。

我想这也是它会被用在显示器上（RS-232）和接入Internet等对时延要求高、传输量大的场合。

**缺点：**

1.  根据IP知道对端机器（原话是“每端必须知道对方IP”）。该协议没有使用ARP进行广播，确定发送机器，所以必须的通过IP层的目的IP地址知道对应的机器。
2.  数据帧没有类型字段，只能发送一种类型的报文。（原话是“如果一条串行线路用于SLIP，那么它不能同时使用其他协议。”）
3.  没有校验和，受噪声影响，传输出错只能在上层校验。

我想也就是因为这些不稳定性，所以主要是在有线传输中见到它的身影。

### CSLIP ###

CSLIP(Compressed SLIP)是SLIP的更进一步，它将SLIP传输的TCP数据包头进行压缩，减少传输量。但并不影响UDP包头。

## PPP：点对点协议 ##

PPP(Point to Point Protocol)协议修改了SLIP协议中的所有缺点。PPP就是被设计来用于取代SLIP的。其数据报如下：

可以看到CRC加入了协议字段和CRC字段（校验和）字段，因此可以解决只能够传输一种类型报文，以及没有校验和易受噪声干扰的问题。至于PPP的IP协商机制，有兴趣的可以自己查查资料。

PPP与SLIP一样有头尾标志字节，这就说明PPP也需要将数据报中的标志字节和转义字节进行转移。与SLIP不一样的是，标志位（0x7e）、转义字节（0x7d）。

除了这两个字节外PPP还需要对小于0x20的字节进行转移，因为0x20的字节在ascii码中有控制含义，怕影响底层驱动程序。

因此PPP具有转移规则，规则是在0x7d接下去的第1个byte的第6个bit取补码（即将byte取补码后，将这个byte的第6位，用补码的第6位取代）。

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