那么以太网如何来识接收方的身份呢?
以太网规协议定,接入网络的设备都必须安装网络适配器,即网卡,数据包必须是从一块网卡传送到另一块网卡。而网卡地址就是数据包的发送地址和接收地址,也就是帧首部所包含的MAC地址,MAC地址是每块网卡的身份标识,就如同我们身份证上的身份证号码,具有全球唯一性。MAC地址采用十六进制标识,共6个字节,前三个字节是厂商编号,后三个字节是网卡流水号,例如4C-0F-6E-12-D2-19
有了MAC地址以后,以太网采用广播形式,把数据包发给该子网内所有主机,子网内每台主机在接收到这个包以后,都会读取首部里的目标MAC地址,然后和自己的MAC地址进行对比,如果相同就做下一步处理,如果不同,就丢弃这个包。
所以链路层的主要工作就是对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧,然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。

2、网络层

对于上面的过程,有几个细节问题值得我们思考:
发送者如何知道接收者的MAC地址?
发送者如何知道接收者和自己同属一个子网?
如果接收者和自己不在同一个子网,数据包如何发给对方?
为了解决这些问题,网络层引入了三个协议,分别是IP协议、ARP协议、路由协议。
【1】IP协议
通过前面的介绍我们知道,MAC地址只与厂商有关,与所处的网络无关,所以无法通过MAC地址来判断两台主机是否属于同一个子网。
因此,网络层引入了IP协议,制定了一套新地址,使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络,这套地址就是网络地址,也就是所谓的IP地址。
IP地址目前有两个版本,分别是IPv4和IPv6,IPv4是一个32位的地址,常采用4个十进制数字表示。IP协议将这个32位的地址分为两部分,前面部分代表网络地址,后面部分表示该主机在局域网中的地址。由于各类地址的分法不尽相同,以C类地址192.168.24.1为例,其中前24位就是网络地址,后8位就是主机地址。因此,如果两个IP地址在同一个子网内,则网络地址一定相同。为了判断IP地址中的网络地址,IP协议还引入了子网掩码,IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。
由于发送者和接收者的IP地址是已知的(应用层的协议会传入), 因此我们只要通过子网掩码对两个IP地址进行AND运算后就能够判断双方是否在同一个子网了。
【2】ARP协议
即地址解析协议,是根据IP地址获取MAC地址的一个网络层协议。其工作原理如下:
ARP首先会发起一个请求数据包,数据包的首部包含了目标主机的IP地址,然后这个数据包会在链路层进行再次包装,生成以太网数据包,最终由以太网广播给子网内的所有主机,每一台主机都会接收到这个数据包,并取出标头里的IP地址,然后和自己的IP地址进行比较,如果相同就返回自己的MAC地址,如果不同就丢弃该数据包。ARP接收返回消息,以此确定目标机的MAC地址;与此同时,ARP还会将返回的MAC地址与对应的IP地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间,下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。cmd输入 arp -a 就可以查询本机缓存的ARP数据。
【3】路由协议
通过ARP协议的工作原理可以发现,ARP的MAC寻址还是局限在同一个子网中,因此网络层引入了路由协议,首先通过IP协议来判断两台主机是否在同一个子网中,如果在同一个子网,就通过ARP协议查询对应的MAC地址,然后以广播的形式向该子网内的主机发送数据包;如果不在同一个子网,以太网会将该数据包转发给本子网的网关进行路由。网关是互联网上子网与子网之间的桥梁,所以网关会进行多次转发,最终将该数据包转发到目标IP所在的子网中,然后再通过ARP获取目标机MAC,最终也是通过广播形式将数据包发送给接收方。
而完成这个路由协议的物理设备就是路由器,在错综复杂的网络世界里,路由器扮演者交通枢纽的角色,它会根据信道情况,选择并设定路由,以最佳路径来转发数据包。
【4】IP数据包
在网络层被包装的数据包就叫IP数据包,IPv4数据包的结构如下图所示:
IP数据包由首部和数据两部分组成,首部长度为20个字节,主要包含了目标IP地址和源IP地址,目标IP地址是网关路由的线索和依据;数据部分的最大长度为65515字节,理论上一个IP数据包的总长度可以达到65535个字节,而以太网数据包的最大长度是1500个字符,如果超过这个大小,就需要对IP数据包进行分割,分成多帧发送。
所以,网络层的主要工作是定义网络地址,区分网段,子网内MAC寻址,对于不同子网的数据包进行路由。

3、传输层

链路层定义了主机的身份,即MAC地址, 而网络层定义了IP地址,明确了主机所在的网段,有了这两个地址,数据包就从可以从一个主机发送到另一台主机。但实际上数据包是从一个主机的某个应用程序发出,然后由对方主机的应用程序接收。而每台电脑都有可能同时运行着很多个应用程序,所以当数据包被发送到主机上以后,是无法确定哪个应用程序要接收这个包。
因此传输层引入了UDP协议来解决这个问题,为了给每个应用程序标识身份,UDP协议定义了端口,同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号,并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息。 这样,当数据包到达主机以后,就可以根据端口号找到对应的应用程序了。UDP定义的数据包就叫做UDP数据包,结构如下所示:
UDP数据包由首部和数据两部分组成,首部长度为8个字节,主要包括源端口和目标端口;数据最大为65527个字节,整个数据包的长度最大可达到65535个字节。
UDP协议比较简单,实现容易,但它没有确认机制, 数据包一旦发出,无法知道对方是否收到,因此可靠性较差,为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了,TCP即传输控制协议,是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。