LwIP开发分享（一）—— 网络协议

本标签类型为介绍LwIP，从简入深、从理论到代码编写

网络协议

常见的网络协议

1. TCP/IP：是一种协议族。

2. HTTP协议：超文本传输协议，作用于<客户端-服务器>架构之上。浏览器作为客户端通过URL向服务端发送所有请求，服务端接收到请求后，向客户端发送响应消息。

3. FTP协议：文件传输协议，工作在应用层的网络协议。使得主机间可以共享文件，用于设备之间的双向文件传输，同样基于<客户端-服务器>架构。

4. 物联网常用协议：

• 早期开发人员习惯使用HTTP，但HTTP存在明显缺点：

  • HTTP是同步协议，设备需要等待服务端响应才能进行下一步操作；当设备数量多、网络环境不可靠时，同步机制难以实现高效通信。

  • HTTP是单向通信，服务器无法主动向设备端推送数据，不适用于实时操作系统场景。

• 目前，MQTT、COAP等轻量级、异步的通信协议在物联网开发中被广泛应用，其中MQTT协议由IBM公司推出，是物联网领域的主流协议之一。

二、网络协议的分层模型

TCP/IP是众多网络协议的集合，包含ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、DNS、DHCP、FTP、MQTT等，这些协议按功能划分为5层，从下到上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层（MQTT和HTTP均属于应用层）。

协议分层的核心原因：TCP/IP协议栈中，不同协议的功能和实现依赖关系不同（部分协议需基于其他协议才能工作），通过分层可明确各层职责，降低协议设计复杂度，同时便于维护和扩展。

各层具体功能如下：

• 物理层（PHY）：规定传输信号所需的物理电平、介质特性（如网线、光纤的传输标准），是数据传输的物理基础。

• 数据链路层（MAC）：规定帧能被网卡接收的条件，最常见方式是利用网卡MAC地址——发送方在帧头部添加接收方的MAC地址，接收方仅监听属于自己MAC地址的信息，实现局域网内的精准数据传输。

• 网络层：

  • 定义主机的网络地址（IP地址） 规则，解决“跨局域网如何定位主机”的问题。

  • 通过ARP协议实现IP地址与MAC地址的映射，让数据包能从“IP定位”转换为“物理网卡定位”。

  • 核心功能是实现数据包在不同主机之间的传递（跨局域网路由）。

• 传输层：

  • 区分数据包所属的应用程序（通过 “端口号”标识），实现数据包的端到端传输（从源应用程序到目标应用程序）。

  • 解决数据传输中的可靠性问题：网络层无法处理丢包、乱序等问题，而传输层的TCP协议通过“三次握手”“重传机制”“流量控制”等功能，保障数据可靠传输（UDP协议则不提供可靠性保障，适用于实时性要求高的场景，如视频通话）。

• 应用层：决定数据的应用场景和处理方式。由于互联网中传递的数据种类（文本、文件、视频等）和应用场景（浏览网页、传输文件、即时通信等）差异极大，因此需要不同的应用层协议（如 HTTP用于网页访问、FTP用于文件传输、MQTT用于物联网通信）来适配不同需求。应用层以下的层级仅负责“数据传递”，应用层则负责“数据如何被使用”。

三、协议层报文间的封装和拆封

以下先概述TCP/IP协议在报文封装与拆封中的核心操作，细节将在后续补充：

1. 数据发送：报文封装过程（自上而下）

当用户通过应用程序发送数据时，数据会逐层向下传递，每经过一层，该层协议会在数据头部添加对应的“协议首部”，完成“封装”：

1. 应用层操作：用户数据首先在应用层处理（如通过HTTP协议构造请求数据），应用层通过调用传输层接口，将数据交给传输层。TCP/IP协议族本身也包含部分简单应用程序（如FTP文件传输、SMTP邮箱传输协议对应的客户端/服务端程序）。

2. 传输层封装：传输层接收到数据后，在数据前面添加传输层首部（若使用TCP协议则添加TCP首部，包含端口号、序号等信息；若使用UDP协议则添加UDP首部），然后将封装后的数据交给网络层。

3. 网络层封装：网络层接收到数据后，在其前面添加网络层首部（主要是IP首部，包含源IP地址、目标IP地址等信息），然后将数据交给数据链路层。

4. 数据链路层封装：数据链路层对数据进行最后一次封装，在其前面添加数据链路层首部（如以太网环境下的以太网首部，包含源MAC地址、目标MAC地址等信息），最终形成可通过物理介质传输的“帧”，并将其发送给网卡。

2. 数据接收：报文拆封过程（自下而上）

数据接收过程与发送过程相反，网卡接收到“帧”后，会逐层解析各层协议首部，最终将原始数据交给目标应用程序：

1. 网卡接收物理介质传来的“帧”，并将其送入接收缓冲区。

2. 数据链路层从缓冲区取出“帧”，解析并剥离数据链路层首部，提取出网络层数据，交给网络层。

3. 网络层解析并剥离网络层首部，提取出传输层数据，交给传输层。

4. 传输层解析并剥离传输层首部，提取出应用层数据，根据首部中的端口号，将数据交给对应的应用程序。

以上整个过程，即TCP/IP各层协议对数据的封装与拆封过程！