3 记一次 Tcp Ip完整的数据包传输过程

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读此文章之前，先弄懂下面5个基本知识点：

1. 封装报文是从上层到下层(应用层 –> 传输层 –> 网络层 – > 数据链路层 –> 物理层)，解封装报文是从下层到上层。 实际例子：从PC1远程登录服务器(Server)。
2. 数据包传输的过程中，源IP和目标IP不会变，除非遇到NAT（SNAT或DNAT)，源MAC和目标MAC遇到网关会变。
3. 二层内通过MAC寻址，三层通过IP寻址。
4. 当一个数据包的目的地址不是本机，所以需要查询路由表，当查到路由表中的网关之后，需要获取网关的MAC地址，并将数据包的MAC地址修改成网关地址，然后发送到对应的网卡。
5. 协议数据单元在应用层、表示层和会话层被称做数据(Data)，在传输层被称做分段(Segment)，在网络层被称做包(Packet)，在数据链路层被称做帧(Frame)，在物理层被称做比特(Bit)。
6. PC1或者Server上保留的arp表是：arp和ip的映射关系。而二层交换机是arp和端口的映射关系，也就是这个arp 应该由哪个端口转发。三层交换机可以保留arp和ip的映射关系。

这张图片会贯穿本文始终

这个你要首先弄明白，当数据包从PC1发出时，它已经是一个完整的包了，包含如下信息：

PC1发出的包所包含的信息

应用层：HTTP协议是生成针对目标WEB服务器的HTTP请求报文，该报文就是需要传递的数据

传输层：HTTP协议使用的是TCP协议，为了方便通信，将HTTP请求报文按序号分为多个报文段(segment)，并对每个报文段进行封装。PC1使用本地一个大于1024以上的随机TCP源端口(这里假设是1030)建立到目的服务器TCP80号端口的连接，TCP源端口和目的端口加入到报文段中，学名叫协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)。因TCP是一个可靠的传输控制协议，传输层还会加入序列号、窗口大小等参数

网络层：下沉到网络层后，封装网络层的头部，主要就是添加源和目的IP地址，成为数据包。用户通常使用主机名或域名来访问服务器，这时就需要通过应用层的DNS服务来通过域名查找IP地址，或逆向从IP地址反查域名。这里的源IP地址是193.1.1.2，目的IP地址是195.1.1.2。

数据链路层：下沉到数据链路层，封帧的头部，源MAC和目标MAC。PC1比较去往的目标IP，发现Server IP 195.1.1.2不在本地网络中，PC1通过查找本地路由表，会有一条默认路由指向网关R1，知道数据包要先发到网关R1的Fa0/0口。PC1查找本地arp cache，如果找到193.1.1.1对应的MAC地址则进行封装; 如果在ARP cache中没有找到193.1.1.1对应的MAC地址，则用ARP协议，査询到网关对应的MAC地址 “00-11-BC-7D-25-03” 。于是，这里的源MAC地址是PC1的MAC地址“00-1B-24-7D-25-01”，目的MAC地址是网关的MAC地址“00-11-BC-7D-25-03。

从PC1发出的数据帧格式：

物理层：数据链路层封装后的数据帧下沉到物理层，转换成二进制形式的比特(Bit)流，从PC1的网卡发送出去。

对你没看错，这里PC1外接的是一个集线器，按理说这么古老的设备是不应该出现在这里的，但是为了能够全方位的描述一些你常见到的设备，这里有意为之，安排了一个集线器。

PC1发出的比特流到达集线器，集线器简单地对比特流转发，从除接收端口以外的所有端口转发出去。PC2接收到这个数据包，把比特流转换成帧上传到数据链路层，PC2比较数据帧的目的MAC地址，发现与本机网卡的MAC地址不同，PC2丢弃该数据帧，放弃处理，数据到达路由器。

路由器R1收到该比特流，转换成帧上传到数据链路层，路由器R1比较数据帧的目的MAC地址，发现与路由器接收端口Fa0/0(快速以太网，简写成Fa0/0，指的是0号插槽上编号为0的接口)的MAC地址相同，路由器知道该数据帧是发往本路由器的。路由器R1的数据链路层把数据帧进行解封装，然后上传到路由器R1的网络层，路由器R1看到数据包的目的IP地址是195.1.1.2，并不是发给本路由器的，需要路由器进行转发。

路由器R1査询自己的路由表，发现数据包应该从串行接口S1/1发出。路由器R1把数据包从Fa0/0接口交换(forward)到S1/1接口。

此时R1并不能直接把这个数据包发出去，因为在R1的Fa0/0接口被解封装，现在需要被重新再封装，即在路由器的入接口解封装，在路由器的出接口需要再封装。网络层的封装并没有被解开，但并不意味着网络层的信息一点都没有改变，其实网络层的数据包中源和目的IP地址都没有被改变(除非在网络地址转换的情况下)，但TTL(生存周期)会减1。

网络层把数据包交给下层的数据链路层，数据链路层需要封装二层的地址。路由器间一般使用串行链路互联。串行链路不同于以太网，因为以太网是一个多路访问的网络，要定位到目的设备需要借助于MAC地址，但串行线路一般的封装协议都是PPP(Point-to-Point Protocol,点到点协议)或HDLC(High-Level Data Link Control,高级数据链路控制协议)封装，这种封装被用于点对点线路，也就是说，一根线缆只连接两台设备，一端发出，另一端肯定可以收到（有点像容器网络中用的veth）。假设串行线缆上使用的是PPP协议，则数据链路层封装的源和目的地址都是PPP。

数据链路层封装后的数据帧被传到物理层，转换成二进制形式的比特流，从路由器R1的S1/1接口发送出去

从R1的S1/1发送出去的包的数据帧格式：

路由器R2收到这个比特流，上传至数据链路层，数据链路层去掉PPP的封装。路由器R2査询数据包的目的IP地址，发现该IP网络直接连接在Fa0/0接口，路由器R2把数据包交换到Fa0/0接口。路由器查看本地的ARP缓存，如果找到195.1.1.2对应的MAC地址，则直接进行封裝；如果没有找到，则发送ARP的查询包。路由器R2发出数据帧的源地址是Fa0/0接口的MAC地址，目的地址是服务器网卡的MAC地址。

数据链路层封装后的数据帧被传到物理层，转换成二进制形式的比特流，从路由器R2的Fa0/0接口发送出去。

源MAC已经变为R2的F0/0的MAC，目标MAC则根据ARP求得

路由器R2发出的比特流到达交换机，根据源MAC地址进行学习，根据目的MAC地址进行转发。交换机根据数据帧中的目的MAC地址査询MAC地址表，把比特流从对应的端口发送出去，交换机把比特流发往服务器，并没有发往PC3。可以看到交换机并没有像集线器那样进行广播转发，而是有针对性的进行了转发。

服务器接收到这个比特流，把比特流转换成帧格式，上传到数据链路层，服务器发现数据帧中的目的MAC地址与本网卡的MAC地址相同，服务器拆除数据链路层的封装后，把数据包上传到网络层。服务器的网络层比较数据包中的目的IP地址，发现与本机的IP地址相同，服务器拆除网络层的封装后，把数据分段上传到传输层。传输层对数据分段进行确认、排序、重组，确保数据传输的可靠性。数据最后被传到服务器的应用层。

服务器收到PC1发过来的数据后，对PC1进行响应。和PC1处理的过程类似，服务器也知道要发往一个远程的网络，数据链路层的目的MAC地址需要封装网关的MAC地址；网络层源和目的IP地址与PC1发送过来的包相反，即把源地址变成目的地址，目的地址变成源地址；传输层源和目的端口与PC1发送过来的包相反，即把源端口变成目的端口，目的端口变成源端口。

从PC1到Server的整个数据包流动过程，PC1执行OSI七层的封装，然后把比特流传到集线器；集线器在物理层把信号简单放大后（这是它的主要功能，为了增加有效的传输距离），把比特流传到路由器R1；R1执行OSI下三层的处理后，再把比特流传到路由器R2；R2执行OSI下三层的处理后，再把比特流传到交换机；交换机执行OSI下二层的处理后，再把比特流传到服务器

从这个流动过程中，可以发现数据流在中间设备上主要执行的是OSI下三层的操作。

• 物理层的设备不改变帧的格式，广播式转发。
• 数据链路层的设备也不改变帧的格式（比如二层交换机），但可以根据数据帧中的目的MAC地址进行转发；
• 网络层的设备改变帧的格式，要执行帧的解封装和再封装，但不改变数据包中的源和目的IP地址（NAT除外），即每一跳只会变更目标MAC地址。

1. 路由器收到数据包后，报文送到数据链路层，数据链路层解封以太网帧头部，提取目的MAC地址
2. 查看目的MAC地址是不是自己本身的MAC地址。这个时候出现两种情况，具体如下：
   1. 情况1：是本机的MAC地址，则把报文传到网络层，由网络层继续解析。
   2. 情况2：不是本机的MAC地址，则丢弃报文。
3. 假设是情况1，目的MAC是自己的MAC，把报文送到网络层解析。
4. **送到网络层后，网络层解析，提取目的IP地址，判断目的IP地址是不是本机的IP地址。**这个时候再次出现两种情况，具体如下：
   1. 情况1：是本机IP，则把报文送到上层，由传输层进行解析。由于本次主要讲解转发流程，就不讲传输层解析的过程了。
   2. 情况2：不是本机IP，则去查路由表，匹配出接口。
5. 假设是情况2，不是本机IP，查路由表根据路由的最长掩码匹配原则，匹配路由表，找到出接口。查路由的时候会出现四种情况，具体如下：
   1. 情况1：没有匹配路由，无法继续转发，则丢弃报文。并向源IP发送目的不可达的ICMP报文。
   2. 情况2：匹配直连路由，网络层封装目的IP和源IP，使用目的IP地址查ARP表。寻找目的MAC。
   3. 情况3：匹配非直连路由，网络层封装目的IP和源IP，使用路由表里的下一跳IP地址查ARP表（不会修改目的IP）。寻找下一跳IP地址的目的MAC。
   4. 情况4：匹配默认路由，网络层封装目的IP和源IP（不会修改IP），使用路由表里的下一跳IP地址查ARP表。寻找下一跳IP地址的目的MAC。
6. 假设匹配到路由，去ARP表，匹配目的IP对应的MAC地址。这个时候出现两种情况，具体如下：
   1. 情况1：在ARP表里匹配到了对应的MAC地址，则把匹配到的MAC封装到帧头部的目的MAC，把本机出接口的MAC封装到帧头部的源MAC里。然后发送出去。
   2. 情况2：在ARP表里没有匹配到对应的MAC地址，则发送ARP请求，寻找目的IP对应的MAC地址。
7. 假设没有匹配到对应的MAC地址，发送ARP请求，这个时候会遇到两种情况。具体如下：
   1. 情况1：没有收到ARP响应，无法继续获取目的IP对应的MAC地址。则丢弃报文。
   2. 情况2：收到了ARP响应，首先把响应报文中的源MAC解析出来，然后把目的IP和从响应报文中获取的源MAC放到ARP表中，形成映射关系，并对这个映射关系添加老化时间。然后把MAC封装到目的MAC里，把本机出接口的MAC封装到源MAC里，然后发送出去。

说明：

1、上述中，网络层为了读取目标IP，需要先对网络层的header进行解包、解析，获取IP后再进行封包。这点不知道是否正确，是否可以理解为包到达网络层后，直接就可以读取网络层的header，无需将header去掉。只有当报文要继续向上层(传输控制层)发送的时候，才会去掉网络层的header。（概括地说，无论是在哪一层，如果判断目标(MAC/IP)是自己时，才会将自己层的header去掉，然后发送的自己的上一层）

好像是需要先解包再封包，因为要修改head中的数据，比如ip header中的TTL每经过一个router就减一。

2、网络层会查看报文的dst IP，如果不是本机，就会查看路由表来判断将哪个IP的MAC地址作为链路层header中的目标MAC。

3、报文在到达最终的目标IP服务器前，只是在路由器之间传递时，可以理解为只会对链路层的header进行替换，不会对网络层的header替换。即每跳都需要更换MAC地址。只有路由器需要做NAT（出口路由器、入口路由器）时，才会修改IP地址。

交换机：MAC表，端口号与MAC对应关系；

路由器：arp表，IP与MAC表对应关系；