【嵌入式八股19】嵌入式通信协议

一、TCP/IP 模型

TCP/IP 模型是网络通信的基础架构，它将网络通信分为多个层次，不同层次实现不同的功能，且对应着不同的协议和网络设备。以下是 OSI 模型、Linux TCP/IP 模型的对比，以及各层常用协议和相关网络设备的介绍：

OSI 模型 Linux TCP/IP 模型常用协议网络设备

应用层（application）	应用层：该层主要为用户提供应用程序接口，实现用户与网络的交互，处理应用程序的逻辑和数据处理。	telnet、DHCP、TFTP、FTP、MQTT、NFS、DNS、FTP、SNMP 等。这些协议在不同的应用场景中发挥着重要作用，如 FTP 用于文件传输，DNS 用于域名解析。	-
表示层（presentation）	-	-	-
会话层（session）	-	-	-
传输层（transport）	传输层：负责在源主机和目的主机的应用进程之间建立端到端的逻辑连接，实现数据的可靠传输或高效传输。	TCP（传输控制协议）：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，适用于对数据准确性要求高的场景，如文件传输、网页浏览等。UDP（用户数据报协议）：提供无连接的、不可靠的数据传输服务，但传输效率高，适用于对实时性要求高的场景，如视频流、音频流传输等。	四层交换机：可以根据传输层的端口号等信息进行数据转发，实现负载均衡等功能。
网络层	网络层（Network）：主要功能是实现不同网络之间的互联，为数据包选择合适的路由路径。	IP（网际协议）：是网络层的核心协议，负责数据包的寻址和路由。ICMP（网际控制报文协议）：用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息，如差错报告、网络状态查询等。IGMP（网际组管理协议）：用于管理 IP 组播成员，实现组播通信。ARP（地址解析协议）：用于将 IP 地址解析为 MAC 地址。	路由器：能够根据网络层的 IP 地址信息，将数据包从一个网络转发到另一个网络。三层交换机：在二层交换机的基础上，增加了网络层的路由功能，可以根据 IP 地址进行数据转发。
数据链路层（Datalink）	网络接口层：负责将网络层的数据包封装成数据帧，并通过物理链路进行传输，同时处理物理层的错误检测和纠正。	Ethernet（以太网协议）：是目前应用最广泛的局域网协议，定义了数据帧的格式和传输规则。PPP（点到点协议）：用于在两个节点之间建立直接的链路连接，常用于拨号上网等场景。PPPoE（以太网上的点对点协议）：结合了 PPP 和 Ethernet 的优点，用于在以太网上实现 PPP 连接。	交换机（二层交换机）：根据数据链路层的 MAC 地址进行数据帧的转发，实现局域网内设备之间的通信。网桥：用于连接两个或多个局域网，实现不同局域网之间的数据转发。网卡（一半物理层，一半链路层）：是计算机与网络之间的接口设备，负责将计算机的数据转换为网络信号进行传输，并接收网络信号转换为计算机可识别的数据。
物理层（physcial）	-	-	中继器：用于放大和再生物理信号，延长信号的传输距离。集线器：是一种多端口的中继器，将多个设备连接在一起，共享带宽。

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二、以太网协议

以太网协议是局域网中常用的通信协议，它定义了数据帧的格式，具体如下：

字段长度说明

前导码	7 字节	由 10101010 这样的位序列组成，用于使接收端的物理层与发送端的物理层实现时钟同步，不能算是以太网数据帧，是以太网在物理层上发送以太网数据时添加上去的。
SFD（帧起始定界符）	1 字节	固定为 10101011，标志着一个以太网数据帧的开始，同样是物理层添加的内容。
目标地址	6 字节	表示数据帧的接收方的 MAC 地址。
源地址	6 字节	表示数据帧的发送方的 MAC 地址。
长度/类型	2 字节	当值大于 1518 时，表示该以太网帧中的数据属于哪个上层协议。例如，0x0800 表示 IP 数据包，0x0806 表示 ARP 数据包；当值小于等于 1518 时，表示数据字段的长度。
数据	46~1500 字节	存放上层协议的数据，如 IP 数据包等。如果数据长度小于 46 字节，需要填充字节以达到最小长度要求。
CRC 校验	4 字节	用于对数据帧进行循环冗余校验，检测数据在传输过程中是否发生错误。

补充说明：

前导码和 SFD 主要用于物理层的同步和帧起始标识，不属于真正的数据帧内容。
长度/类型字段的取值决定了其具体含义，是区分上层协议还是表示数据长度的关键。
单播地址、组播地址：目标地址的第一个字节的 bit0 为 0 代表单播地址，即数据帧只发送给一个特定的接收方；为 1 代表组播地址，数据帧会发送给一组接收方。

三、ARP 地址解析协议

ARP（地址解析协议）用于将 IP 地址解析为 MAC 地址，其数据报格式如下：

字段长度说明

以太网首部	14 字节	包含目标 MAC 地址、源 MAC 地址和类型字段，与以太网帧的首部格式一致，用于在以太网中传输 ARP 数据报。
硬件类型	2 字节	表示硬件地址的类型，如以太网的硬件类型为 1。
协议类型	2 字节	表示要解析的协议地址类型，如 IP 协议的类型为 0x0800。
MAC 地址长度	1 字节	表示 MAC 地址的长度，通常为 6 字节。
协议地址长度	1 字节	表示协议地址（如 IP 地址）的长度，通常为 4 字节。
OP（操作码）	2 字节	表示 ARP 操作的类型，1 代表 ARP 请求，即发送方请求获取目标 IP 地址对应的 MAC 地址；2 代表 ARP 应答，即接收方回复发送方其 IP 地址对应的 MAC 地址。
源 MAC 地址	6 字节	发送方的 MAC 地址。
源 IP 地址	4 字节	发送方的 IP 地址。
目标 MAC 地址	6 字节	目标的 MAC 地址，在 ARP 请求中可能为全 0（表示未知），在 ARP 应答中为正确的目标 MAC 地址。
目标 IP 地址	4 字节	要解析的目标 IP 地址。

补充说明：

MAC 地址长度和 IP 地址长度通常分别为 6 和 4 字节，这是根据常见的以太网和 IP 协议的地址格式确定的。
OP 字段明确了 ARP 操作的具体类型，是 ARP 请求还是 ARP 应答，决定了数据报的处理方式。

四、IP 地址分类

IP 地址由网络地址和主机地址两部分组成，根据其开头和取值范围，可以分为以下几类：

分类开头第一个字节范围总体范围掩码地址说明

A 类	0	1~126	1.0.0.0 - 126.255.255.255	255.0.0.0	给规模特别大的网络使用，网络数量较少，但每个网络可容纳的主机数量很多。
B 类	10	128~191	128.0.0.0 - 191.255.255.255	255.255.0.0	给一般的中型网络，网络数量适中，每个网络可容纳的主机数量也适中。
C 类	110	192~223	192.0.0.0 - 223.255.255.255	255.255.255.0	给小型网络，网络数量较多，但每个网络可容纳的主机数量相对较少。
D 类	1110	224~239	224.0.0.0 - 239.255.255.255	-	用于多点广播（组播），可以将数据发送给一组特定的主机。
E 类	11110	240~255	240.0.0.0 - 255.255.255.255	-	保留用于实验和研究，目前尚未广泛使用，也可用于广播地址。

其他相关说明：

主机号全为 0 表示本网络本身，例如对于 A 类网络 1.0.0.0，这里的主机号全为 0，代表整个 1 号网络。主机号全为 1 表示本网络广播地址，如 1.255.255.255 就是 1 号网络的广播地址，该地址的数据包会发送给网络中的所有主机。
127.0.0.0 是环路自检地址，表示任意主机本身，用于本地主机的自我测试和通信，如 ping 127.0.0.1 可以测试本地网络协议栈是否正常。
0.0.0.0 表示本网络的本主机，常用于主机在启动时还未获取到具体 IP 地址的情况，作为临时的源地址。
专用地址：A 类：10.0.0.0—10.255.255.255，B 类：172.16.0.0—172.31.255.255，C 类：192.168.0.0—192.168.255.255。这些专用地址在局域网中使用，不会在公网中路由，避免了 IP 地址冲突和安全问题。
IP 地址与子网掩码相与得到网络号，通过子网掩码可以确定 IP 地址中哪些位是网络地址，哪些位是主机地址，从而实现子网划分和网络管理。

五、TCP 与 UDP 的区别

TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）是传输层的两种重要协议，它们在多个方面存在明显差异：

TCP UDP

面向连接，需要三次握手建立连接，四次挥手关闭连接，确保连接的可靠性和稳定性。	不需要建立连接，直接发送数据报，适用于对实时性要求高、对数据可靠性要求相对较低的场景。
提供无差错、不丢失、不重复，且按序到达的数据传输服务，通过序列号、确认应答、重传机制等保证数据的准确性。	不保证数据可靠、按序到达，可能会出现数据丢失、重复或乱序的情况，但传输效率高，延迟低。
面向字节流，将应用层的数据看作连续的字节流进行传输，适合传输大量数据，如文件传输。	面向报文，每个 UDP 数据报都是独立的报文，不考虑数据的连续性，适合传输少量数据，如 DNS 查询请求。
有拥塞控制机制，通过慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复等算法，根据网络拥塞情况调整发送速率，不会使源主机的发送速率过高导致网络拥塞。	没有拥塞控制机制，发送方以固定的速率发送数据，可能会在网络拥塞时加剧网络负担。
连接只能是点到点的，即一个发送方对应一个接收方，适用于一对一的通信场景。	支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信，如组播和广播通信可以使用 UDP 协议。
首部开销 20 字节，包含源端口号、目的端口号、序列号、确认号、控制位等信息，用于实现可靠传输和连接管理。	首部开销小，只有 8 个字节，包含源端口号、目的端口号、长度、校验和等信息，减少了数据传输的额外开销。
常见应用协议有 ftp、telnet、http、https、SMTP、POP3 等，这些应用对数据的可靠性要求较高。	常见应用协议有 DNS、DHCP、tftp、