第3章TCP/IP協定簇
3.1TCP/IP協定簇介紹
TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)協定是現代網際網路的基石，其實TCP/IP代表一組協定，稱為TCP/IP協定簇，TCP和IP隻是其中的兩個最重要的協定。TCP/IP協定簇使得由異構硬體和軟體系統組成的主機進行互聯，進而建構起全球網際網路大廈。
由于主機間進行通信的過程十分複雜，是以，經常将主機間通信的過程劃分為相對獨立的不同層次，每層實作相對獨立的一定功能，上層通過标準接口調用下層提供的功能而不關心具體的細節，以簡化主機間通信協定的設計。ISO(International Standardization Organization)推出的OSI(Open System Interconnect Reference Model)協定是一種參考協定，分為七層，從下到上分别為實體層、資料鍊路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。TCP/IP協定簇參考ISO/OSI實作。
TCP/IP協定中的TCP協定最早由斯坦福大學的兩名研究人員于1973年提出，為實作主機間通過TCP通信，逐漸衍生出其他協定，最終形成TCP/IP協定族。1983年TCP/IP協定簇被UNIX 4.2BSD系統采用，随着UNIX的成功，TCP/IP協定簇逐漸成為UNIX主機間通信的标準網絡協定。Internet的前身ARPANET最初使用NCP(Network Control Protocol)協定，後來由于看到TCP/IP協定簇具有跨平台特性，于是ARPANET的實驗人員對TCP/IP協定簇進行改進後采用，并規定連入ARPANET的計算機必須采用TCP/IP協定簇。
圖31TCP/IP協定簇結構
随着ARPANET逐漸發展成為Internet，TCP/IP協定簇也就成了Internet的标準連接配接協定。
TCP/IP協定簇由四層構成，各層的名稱與所包含的協定如圖31所示，其中的應用層與鍊路層包含的協定衆多，而傳輸層和網絡層包含的協定較少。
3.2鍊路層
鍊路層也稱為資料鍊路層或網絡接口層，該層包括主機用于連接配接網絡的網絡接口卡及其驅動程式，主要處理與傳輸媒介(如雙絞線、光纖、無線電波等)的實體接口細節。由于絕大部分主機使用Ethernet網卡接入網絡，是以，鍊路層所使用的通信協定一般為Ethernet。
鍊路層處理的資料為資料幀，格式如圖32所示，其中，目标MAC(Media Access Control)位址、源MAC位址和類型組成14(6+6+2)位元組的幀頭，後面為資料部分，最後為CRC(Cyclic Redundancy Check)部分。
圖32鍊路層資料幀格式
在圖32中，MAC位址為主機網絡接口卡位址； 類型為來自網絡層的資料類型，IPv4為0x0800，ARP為0x0806，PPPoE為0x8864，802.1Q tag為0x8100，IPv6為0x86DD，MPLS Label為0x8847； 資料部分為來自網絡層的資料，最少為46位元組，最大為1500位元組； CRC為循環備援校驗碼，主要校驗所收到的資料是否有錯。鍊路層資料幀最小為64(6+6+2+46+4)位元組，最大為1518(6+6+2+1500+4)位元組，主要利用網絡接口卡的實體位址即MAC位址進行通信。
主機作為資料發送方時，鍊路層負責将來自本機網絡層的資料封包封裝為資料幀進行發送，資料接收方在收到資料幀後會給資料發送方發送回報資訊，如果資料傳輸有誤，發送方需要重新發送出錯的幀資料； 主機作為資料接收方時，鍊路層負責對接收到的資料幀進行CRC校驗，并給資料發送方發送回報資訊，要求重新發送出錯的幀資料，并将接收到的正确幀資料的目标MAC位址、源MAC位址和CRC部分去掉後，遞交給網絡層處理。
鍊路層通信用MAC位址識别主機，主機間交換資料幀。
代碼31可以擷取本機網卡的MAC位址。
1#代碼31link01.py
2#!/usr/bin/env python3
3# coding: utf-8
4import uuid
. 5node = uuid.uuid1()
6print('type(node)=',type(node))
7print('node=',node)
8hex = node.hex
9print('hex=',hex)
10mac_addr = hex［-12:］
11print('mac_addr=',mac_addr)
代碼31第4行引入uuid，uuid實作UUID(Universally Unique Identifier)，即全局唯一辨別符。第5行通過調用uuid的uuid1()函數，得到由MAC位址、目前時間戳和随機數字生成，以對象node表示的UUID值。第8行通過對象node的hex屬性得到包含主機MAC位址的字元串，第10行取字元串的後12位，即為主機的MAC位址。程式運作結果如圖33所示。
type(node)=
node=997041ae-937a-11e7-a2db-000c294be4dd
hex=997041ae937a11e7a2db000c294be4dd
mac_addr=000c294be4dd
圖33代碼31運作結果
Python的第三方子產品psutil可以擷取主機的大量資訊，其中包括主機全部網卡的裝置名稱和MAC位址，在指令行下線上安裝psutil的步驟如下。
sudo apt-get install python3-pip
pip3 install psutil
其中，指令“sudo aptget install python3pip”用于安裝pip工具，pip是Python軟體包管理工具，此處安裝的pip版本号為3； 指令“pip3 install psutil”使用pip工具安裝psutil子產品。
利用psutil擷取主機網卡裝置名稱和MAC位址程式如代碼32所示。
1#代碼32link02.py
2#!/usr/bin/env python3
3# coding: utf-8
4import psutil
5info=psutil.net_if_addrs()
6print('info=',info)
7print('type(info)=',type(info))
8net1=info［'eth0'］
9print('net1=',net1)
10print('type(net1)=',type(net1))
11packet=net1［2］
12print('packet=',packet)
13print('type(packet)=',type(packet))
14print('mac_addr=',packet.address)
代碼32第4行引入了psutil，調用psutil的net_if_addrs()函數擷取了主機全部的網卡資訊，然後從擷取的資訊中逐漸得到網卡裝置名稱和MAC位址，程式運作結果如圖34所示。
如圖34所示，主機全部網卡的資訊儲存在字典型變量info中，其中包含的網卡裝置名稱分别為eth0和lo； 網卡eth0的資訊儲存在清單變量net1中； 從net1中取得的網卡實體資訊儲存在對象packet中，最後從packet的屬性address中取得網卡的MAC位址。
注： 有些第三方子產品，例如，psutil，安裝後，隻能由系統預設安裝的Python調用，此時，應将系統預設安裝的Python設定為最高優先級，在指令行下執行調用psutil子產品的程式，在Atom內建環境執行這些程式會抛出異常。
info= {'eth0': ［snic(family=, address='192.168.3.17', netmask='255.255.255.0', broadcast='192.168.3.255', ptp=None), snic(family=, address='fe80∷d669:5643:a4a5:e4b4%eth0', netmask='ffff:ffff:ffff:ffff∷', broadcast=None, ptp=None), snic(family=, address='00:0c:29:4b:e4:dd', netmask=None, broadcast='ff:ff:ff:ff:ff:ff', ptp=None)］, 'lo': ［snic(family=, address='127.0.0.1', netmask='255.0.0.0', broadcast=None, ptp=None), snic(family=, address='∷1', netmask='ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff', broadcast=None, ptp=None), snic(family=, address='00:00:00:00:00:00', netmask=None, broadcast=None, ptp=None)］}
type(info)=
net1= ［snic(family=, address='192.168.3.17', netmask='255.255.255.0', broadcast='192.168.3.255', ptp=None), snic(family=, address='fe80∷d669:5643:a4a5:e4b4%eth0', netmask='ffff:ffff:ffff:ffff∷', broadcast=None, ptp=None), snic(family=, address='00:0c:29:4b:e4:dd', netmask=None, broadcast='ff:ff:ff:ff:ff:ff', ptp=None)］
type(net1)=
packet= snic(family=, address='00:0c:29:4b:e4:dd', netmask=None, broadcast='ff:ff:ff:ff:ff:ff', ptp=None)
type(packet)=
mac_addr= 00:0c:29:4b:e4:dd