LwIP之网络技术基础
一、协议模型
TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，与OSI的七层模型相对应。
- 链路层
用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、网卡，及光纤等物理可见部分。
- 网络层
用来规定通过怎样的路径把数据包传送给对方计算机。
- 传输层
主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。
- 应用层
应用层负责处理特定的应用程序细节。
二、各层协议
各种协议在TCP/IP协议模型中所处的层次如下：
ARP：通过IP地址获取MAC地址。
RARP：通过MAC地址获取IP地址。
IP：尽快将数据包从一个主机传送到另一个主机，不保证可靠性。
ICMP：IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。
IGMP：Internet组管理协议，用来把UDP数据报多播到多个主机。
UDP：简单地将数据包从一个应用程序发送到另一个应用程序，不保证可靠性。
TCP：提供一个应用程序到另一个应用程序的可靠传输。
三、IP地址及分类
互联网中采用一套独立的编址技术，使任何主机的编址不受其物理环境的影响。设计人员为每一台主机分配了一个唯一的32bit整数地址，称之为IP地址。
目前IP地址采用了分类的概念，把所有地址划分为A、B、C、D、E五类。
其中，有一些特殊用途的IP地址
环回地址：127.x.x.x，通常使用127.0.0.1。
网络地址：主机号全0的地址，如85.0.0.0、134.89.0.0、213.89.89.0等。
直接广播地址：用于向所在网络广播消息。主机号全1的地址，如85.255.255.255、134.89.255.255、213.89.89.255等。
受限广播地址：255.255.255.255，用于向本地网络广播消息。
不确定IP地址：0.0.0.0，表示整个网络
错误地址：169.254.x.x，DHCP分配失败时系统自动分配。
本网络特定主机地址：网络号全0的地址，如0.x.x.x、0.0.x.x、0.0.0.x。
四、子网划分与子网掩码
标准IP地址使用网络号和主机号两层地址结构，当大量个人用户和小型局域网用户接入互联网，即使为其分配一个C类网络也会造成IP地址的大量浪费。随着互联网用户的剧烈增长，IP地址的分配变得格外紧张，为每个物理网络分配一个网络号的做法变得很不现实。
因此，通过子网掩码的方式将网络进一步划分为多个子网，将原来的二级结构变为三级结构。如果按照下面的方式进行划分一个B类网络来，则可以在整个网络中划分出254个子网，每个子网可以有254台主机。这样做可以大大减少标准IP编址中地址浪费现象。
网掩和IP地址一样是一个32位数，其对应网络地址(包括网络号和子网号)的所有位置都为1，对应于主机地址的所有位置都为。按照上图这种方式划分一个B类网络时，子网掩码为255.255.255.0。
对于一个主机或者路由器，当接收到一个数据包时2。若要判断发送数据的源主机和自己是否在同一网络时，可以将源IP地址和子网掩码进行与运算，得到源主机网络地址，并同样的方式得到自己的网络地址，然后进行比较。
五、NAT转换协议
随着互联网的发送，IP地址短缺现象越来越严重，即使是拥有几百台的大型企业，也很难申请到几个IP地址。为了解决这个问题，产生了局域网技术。对于局域网外部来说，所有主机公用一个合法IP地址。但是在局域网内部，用户使用专用IP进行相互通信。
NAT协议的功能简单来说：数据发送到外部时，将局域网内部主机的IP地址转换成一个外部公用的IP地址；数据从外部接收时，将外部公用的IP地址转换成局域网内部主机的IP地址。
NAT最常见的实现方式是端口多路复用，它基于TCP或UDP协议端口号以及IP地址来实现。
例如：某公司IP地址为222.178.197.21，局域网内部某主机IP地址为192.168.1.178，该主机正在使用TCP协议与某外部服务器进行通信，该外部主机IP地址为130.21.45.20。TCP双方，内部主机TCP端口号为1234，外部主机TCP端口号为80。
具有NAT功能的路由器会在内部维护一个NAT转换表，当路由器收到该分组时，会在表中为连接（192.168.1.78:1234,130.21.45.20:80）分配一个路由器内部的端口，假设为5678。数据发送到外部时，路由器会将数据包中的源IP和端口号，由192.168.1.78:1234改为222.178.197.21:5678；数据从外部接收时，路由器会将数据包中的目的IP和端口号，由222.178.197.21:5678改为192.168.1.78:1234。
这样经过两次NAT转换，局域网用户就实现了与外部网络的数据交互。
六、数据包格式
Ethernet II帧格式
前导码：由8个8‘b10101010构成。
以太网首部目的地址：目的设备的MAC物理地址。
源地址：发送设备的MAC物理地址。
类型：0x0800为IP协议包，0x0806为ARP协议包。
数据：数据长度最小为46字节，不足46字节时，填充至46字节。
FCS: 就是CRC校验值
其中，目的地址、源地址和类型，共同组成以太网首部
IP数据包和ARP数据包格式分别如下：
TCP数据帧封装过程举例：