LV001-网络分层模型与TCP-IP协议栈
一、 网络为什么要分层
1. 一次性解决所有问题是不现实的
两台设备要通信，要解决的问题有一大堆：
- 物理层：用几伏电压表示 0 和 1，用几根线，双绞还是同轴；
- 链路层：怎么把一串比特划成一段一段的帧，怎么知道帧的开头和结尾，出错了要不要重传；
- 网络层：怎么在成百上千台设备里找到目标，怎么跨过一段又一段的链路；
- 传输层：数据丢了好不好重传，谁先发谁后发，对方来不及收怎么办；
- 应用层：对方拿到的字节流到底该怎么理解，是文件、是网页还是一句命令。
把这五类问题一次性全解决是不现实的：它们彼此的关注点完全不同，混在一起写，任何一处改动都会牵动全部。
工程上的做法是分层：每一层只解决一类问题，只跟自己的上下层打交道。
2. 分层带来的三个好处
（1）换硬件不影响上层。这块板子用的是 DM9000 网卡，换一颗别的网卡芯片，TCP/IP 以上的部分一行都不用改。
（2）换应用不影响下层。今天跑 TFTP 拉固件，明天跑 HTTP 传网页，底下的 TCP/IP 与网卡驱动都不动。
（3）每层的责任清晰，出问题能按层排查。这也是后面查网络故障时"从物理往上逐层砍"这个思路的由来：先看网口灯，再看网卡 ID，再看地址，再看 ARP，最后才怀疑协议栈。
3. 分层的代价
分层不是免费的，代价主要有两条：
- 首部开销：每往下走一层就加一个头部。一个 ping 包真正想传的数据可能只有 8 字节，实际在网线上跑的却有 42 字节以上。
- 层间复制与查表：每层的收发都要有自己的缓冲、查表与状态机，对内存只有 64 KB 的 STM32F103 来说，这些都是要精打细算的开支。
本工程的做法是"要分层，但每一层都裁到刚好够用"——这正是后面 LV015-lwIP配置与初始化 里那张 lwipopts.h 裁剪表的由来。
二、 两种分层模型
1. OSI 七层与 TCP/IP 四层的对应
教材里最常出现的是 OSI 七层模型，而实际互联网跑的是 TCP/IP 四层模型。两者的对应关系如下：
| OSI 七层 | TCP/IP 四层 | 这一层负责什么 | 典型协议 / 设备 |
|---|---|---|---|
| 应用层、表示层、会话层 | 应用层 | 面向具体业务 | HTTP、DNS、TFTP、DHCP |
| 传输层 | 传输层 | 进程到进程（靠端口区分） | TCP、UDP |
| 网络层 | 网络层（网际层） | 主机到主机（跨网段寻址） | IP、ICMP |
| 数据链路层、物理层 | 网络接口层 | 一跳之内（同一条链路） | 以太网、MAC、PHY |
如果按 OSI 的七层展开，从上到下依次是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
2. 为什么实际只谈四层
OSI 的"表示层、会话层"在 TCP/IP 里被并进应用层了。原因是这两层在实际实现中很难划出清晰的边界：数据怎么编码（表示层）通常由具体应用自己决定，而"会话"的概念更多落在应用自己的状态机里。
所以实际写代码时基本只谈四层，本系列文档也统一按四层展开。
3. 一处归属争议：ARP 属于哪一层
教材里对 ARP 的说法不统一：
- 它报文的承载方式属于数据链路层——ARP 报文直接封在以太网帧里跑，帧类型字段是
0x0806； - 它干的事情却是为网络层服务——把 IP 地址解析成 MAC 地址。
所以更准确的理解是夹在网络层与网络接口层之间。本系列把它放在 LV030-ARP与MAC地址 单独讲，讲完再看归属问题会清楚得多。
三、 数据是怎么一层层封装起来的
1. 发送加头、接收脱头
发数据是从上往下逐层加头，收数据是从下往上逐层脱头：
发送方向 ↓ 接收方向 ↑
应用层 应用数据 应用数据
传输层 [TCP头][应用数据] 脱 TCP 头
网络层 [IP头][TCP头][应用数据] 脱 IP 头
链路层 [以太网头][IP头][TCP头][数据][校验] 脱以太网头每一次"加头"就是一次封装，每一次"脱头"就是一次解封装。
帧里每一个字段具体占几个字节、校验覆盖哪一段，LV005-数据封装与以太网帧 会逐个字段拆开讲，这里先看整体形态。
2. 一次 ping 的报文拆解
以一次 ping 为例，板子收到的报文会长这样：
| 部分 | 长度 | 内容 |
|---|---|---|
| 以太网头 | 14 字节 | 目的 MAC、源 MAC、类型（0x0800 表示里面装的是 IPv4） |
| IP 头 | 20 字节 | 版本、总长、源 IP、目的 IP、协议号（1 表示 ICMP）…… |
| ICMP 报文 | 8 字节起 | 类型（8 = 请求，0 = 应答）、校验和、标识、序号、数据 |
3. 三种地址各自管多远
链路层最大的一个特点：以太网头里的 MAC 地址只在一跳之内有效，每经过一台路由器就会被重写一次；而 IP 头里的地址是端到端的，一路不变。
把三种地址摆在一起看最清楚：
| 地址 | 工作在哪一层 | 作用范围 |
|---|---|---|
| MAC 地址 | 数据链路层 | 一跳之内，换一个路由器就变了 |
| IP 地址 | 网络层 | 端到端，全程不变 |
| 端口号 | 传输层 | 同一台主机上区分是哪个程序 |
一句话概括：MAC 找到"下一跳的那台设备"，IP 找到"最终的那台设备"，端口找到"那台设备上的哪个程序"。
跨网段时这两种地址的表现差异会成为一个关键结论，见 LV015-网关与跨网段通信 第三节。
四、 把分层映射到 lwIP 的源码目录
1. 分层与文件的对照表
本项目用的 lwIP 2.1.3（atk-f103/Components/lwip-2.1.3/）目录结构与四层模型几乎是直译的：
| 分层 | 本工程中的文件 | 说明 |
|---|---|---|
| 应用层 | port/iap_tcp.c、Drivers/BSP/Ota/ota_tftp.c | 自己写的 TCP 服务器与 TFTP 客户端 |
| 传输层 | src/core/tcp.c、tcp_in.c、tcp_out.c、udp.c | TCP/UDP 的实现 |
| 网络层 | src/core/ipv4/ip4.c、ip4_addr.c、icmp.c、etharp.c | IP 收发、地址处理、ICMP、ARP |
| 网络接口层 | port/ethernetif.c + Drivers/BSP/Ethernet/dm9000.c | lwIP 与网卡的接口 + 网卡驱动本身 |
| 平台适配 | port/lwipopts.h、port/sys_arch.c、port/arch/cc.h | 不属于某一层，服务于整个协议栈 |
2. 后面几篇各讲哪个文件
记住上面这张表，"读哪一篇对应哪个文件"就清楚了：
（1）地址与掩码（LV010-IP地址与子网掩码）→ ip4_addr.c。
（2）交换机、路由器与网关（LV020、LV015）→ 主要是硬件侧的事，协议栈里没有直接对应文件。
（3）ARP（LV030）→ etharp.c。
（4）传输层：端口、UDP 与 TCP（LV035）→ tcp.c、tcp_in.c、tcp_out.c、udp.c。
（5）DHCP（LV040）→ src/core/ipv4/dhcp.c，本工程把它裁掉了，只做源码对照。
（6）网络调试工具（LV045）→ 工具侧的事，与决策树搭配用。
（7）一次 ping 的全过程（LV050）→ 串起 icmp.c、ip4.c、etharp.c、ethernetif.c。
3. 两个术语的用法
"TCP/IP"这个词有两种用法，读到时要看语境：
（1）狭义：指 TCP 和 IP 这两个协议本身。
（2）广义：指整套协议族（TCP/IP 协议栈），包含 IP、TCP、UDP、ICMP、ARP 等等。
lwIP 这个名字是 "lightweight IP" 的缩写，但它是一整套协议栈，不只是 IP 协议。
五、 小结与参考资料
1. 本篇小结
- 网络分层是为了"每层只解决一类问题"，也让排错可以按层逐段缩小范围；代价是首部开销与层间缓冲。
- OSI 七层与实际用的 TCP/IP 四层可以对照，OSI 的上三层对应 TCP/IP 的应用层。
- 发数据是逐层加头（封装），收数据是逐层脱头（解封装）。
- 四层里每一层用不同的地址：MAC 管一跳、IP 管端到端、端口管进程。
- 以太网帧类型字段是分流的依据：
0x0806→ ARP，0x0800→ IPv4。 - lwIP 的目录结构就是这套分层的直接映射，后面的文档都围绕这张表展开。
2. 参考资料
- lwIP 源码目录：
atk-f103/Components/lwip-2.1.3/ - 网卡接口层：
ethernetif.c - 手册：
STM32F1 LWIP开发手册(DM9000版)_V1.1.pdf第 1.4 节
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