【网络面试（6）】IP协议对网络包的转发-编程知识

在前面的博客中，我们提到过，网络传输的报文是有真实的数据包和一些头部组成，目前我们了解的头部就有TCP头、IP头、MAC头，而且这三个头部信息都是在应用程序委托给协议栈之后，被写入的相关信息，这些头部都是跟网络包的转发和传递有关系的。前面我们学习了TCP协议对网络包的拆分、重发、三次握手四次挥手等机制，本篇博客来看一下，在IP协议中，如何借助于IP头部和MAC头部实现对网络报文转发的。

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1. 网络包添加头部信息

在IP协议中，包转发的起点是在网络包的头部添加IP头部和MAC头部。这里先了解这两个概念，IP头部是跟IP地址相关的，也就是通过IP地址要知道最终应该把包发送给这个IP对应的服务器，这个目的地的IP地址自始至终不会发生变化。MAC头部则是跟以太网协议相关，他记录的是网络线路中最近的、将要到达的路由的MAC地址，随着包在路由器之间相互传递，这个MAC地址会被修改为将要到达的下一个MAC地址。

1.1 IP头部

IP头部，顾名思义记录的就是跟收发双方IP地址相关的控制信息，这一动作是由IP模块添加到网络包头部的，这里面最重要的就是IP地址，这个IP地址就是TCP模块告知给IP模块的，还记得我们在TCP连接阶段，调用Socket库的时候入参的IP地址吗？
connect(<套接字描述符>, <服务器IP地址>, <服务器端口号>, ...)，IP协议只会负责将包发送给此IP对应的服务器，至于中间的丢包、重试统统不管，这是TCP模块该做的事情。我们看下IP头部的格式：

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这里面除了接收方IP地址之外，还有发送方IP地址，发送方地址这里会涉及到一个知识点，对于大部分计算机来说，一台计算机装有一个网卡，没问题，这个IP地址就是这块网卡上的，但是对于有多个网卡的性能优异的计算机，就代表这有多个IP地址，那么发送方的IP地址应该写哪个呢，也即是应该通过哪块网卡将消息发送出去呢？

这里就需要通过IP路由表去确定应该使用那一块网卡，我们来使用一个命令``route print`可以看到这张位于计算机上的路由表。

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举个例子，现在我们要向IP地址未192.168.1.233的服务器上发消息，根据子网信息192.168.1.x就可以匹配到第6行192.168.1.0的这一行。我们看下这几列分别表示什么意思：

destination 目标的子网地址
netmask 子网掩码，和目标IP地址可以确定子网地址
gateway 网关，这里指的是路由器的IP地址
interface 接口，这里指的就是我们要找到网卡ip地址

通过路由表，我们确定了第6行的interface的10.10.1.16就是我们要使用的网卡，这样，消息就知道要在哪里发送出去了。

1.2 MAC头部

在IP头部添加完成后，还需要再IP头部前面添加MAC头部，MAC头部是以太网使用的头部，包含发送方和接收方的MAC地址信息。

我们首先来看下MAC头包含的完整信息。

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这里面，首先看以太类型，和IP头部的协议号类似，表明当前是那种协议的网络包，我们使用IP协议，就是16进制的 0800。另一个信息是发送方的MAC地址，其实也好找，前面我们已经确定好了是由哪块网卡发送网络消息了，因此读取这块网卡的MAC地址就可以了。MAC地址是厂家在生产的时候烧录在ROM里面的，一般不会变动，长度48个bit。
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然后就是发送方的MAC地址了，从发送开始，我们无从得知接收方的MAC地址是什么，也就是应该把消息发送到哪一块网卡。这里就需要ARP协议和路由表了，在首次发送网络包的时候，ARP协议会通过广播的形式，向子网中的所有网络设备发送消息，发送请求询问当前接收方IP地址由哪块网卡做转发。如果子网中确实有这样一块网卡转发此IP的网络包，就会回复消息，这样接收方的MAC地址就确定了，其实就确定了应该把网络包发送到哪个网卡上。

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需要注意的是，并不是每次查询MAC地址都需要发送广播请求，因为ARP缓存会把前一次查询的结果缓存下来，几分钟会过期，所以这里可能会有子网设置网络信息变动，导致实际情况和ARP缓存不一致的情况。

经过上述处理，发送方和接收方的MAC地址都可以知道了，就可以发送包含了MAC头部和IP头部的网络包了。在现实生活中，我们可以把IP头部信息比作快递中填写的收件人的地址，是不会变的，而MAC地址是邮递过程中，作为中转站的不同快递站点，是可以发生变化的，最终目的就是为了找到收件人的地址。

2. 将网络包转换成光/电信号发送到接收方

网络包是存放在内存中的二进制数据，并没有办法直接发送给对方，要想通过网线或者光纤发送给对方，还需要转换成光或者电信号发送出去。

负责这一操作的就是网卡，网卡是硬件，本身也没法独立完成这个转换，因此还需要网卡的驱动程序来控制网卡完成这个转换。在操作系统启动之初，网卡驱动程序会对网卡进行初始化，这里会包含错误检查，初始这是、mac地址设置等等，这个MAC地址是全世界独一无二的。

2.1 MAC模块添加报头、起始帧分界符和帧校验序列

网卡驱动程序从IP模块获取到网络包信息之后，会将其复制到网卡的缓存中，然后调用MAC模块，完成发送包的命令。那么MAC模块在这期间，完成了哪些工作呢？

首先，mac模块读取缓冲区中的数据，然后在网络包的起始位置添加上报头和起始帧分界符（SFD），在末尾添加上用于检测错误的帧校验序列。

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报头：用来测定读取报文的时机，报头的0和1变化频率是和时钟信号变化频率同步的，因此接受方通过一段时间对报头的0和1变化观察，就能找到固定的变化周期，确定时钟信号的发送的频率。
起始帧分界符(SFD)：在经过一段报头的数据之后，会有一段长度为8个比特的起始帧分界符，起始帧分界符的末尾比特排列有少许的变化，用以告诉读取的一方，报头将要结束，接下来要读取的就是正式的数据包。
帧校验序列（FCS）：是在包末尾的、长度为32比特的序列，是通过一个公式计算出从包头到包尾的内容，用以接收方在接收到网络包之后对数据包进行校验，避免中间发生数据错误。

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