数据包传输过程

数据包是如何在网络中传输的

我们电脑上的数据，是如何“走”到远端的另一台电脑的呢？这是个最基础的问题，可能很多人回答不上来，尽管我们每天都在使用网络。这里我们以一个最简单的“ping”命令，来解释一个数据包“旅程”。

    假设：我的电脑A，向远在外地的朋友电脑B传输数据，最简单的就是“ping”一下，看看这个家伙的那一端网络通不通。A与B之间只有一台路由器。（路由器可能放在学校，社区或者电信机房，无所谓，基本原理是一样的）

具体过程如下------
    1．“ping”命令所产生的数据包，我们归类为ICMP协议。说白了就是向目的地发送一个数据包，然后等待回应，如果回应正常则目的地的网络就是通的。当我们输入了“ping”命令之后，我们的机器（电脑A）就生成了一个包含ICMP协议域的数据包，姑且称之为“小德”吧~~~~

    2．“小德”已经将ICMP协议打包到数据段里了，可是还不能发送，因为一个数据要想向外面传送，还得经过“有关部门”的批准------IP协议。IP要将你的“写信人地址”和“收信人地址”写到数据段上面，即：将数据的源IP地址和目的IP地址分别打包在“小德”的头部和尾部，这样一来，大家才知道你的数据是要送到哪里。

    3．准备工作还没有完。接下来还有部门要审核------ARP。ARP属于数据链路层协议，主要负责把IP地址对应到硬件地址。直接说吧，都怪交换机太“傻”，不能根据IP地址直接找到相应的计算机，只能根据硬件地址来找。于是，交换机就经常保留一张IP地址与硬件地址的对应表以便其查找目的地。而ARP就是用来生成这张表的。比如：当“小德”被送到ARP手里之后，ARP就要在表里面查找，看看“小德”的IP地址与交换机的哪个端口对应，然后转发过去。如果没找到，则发一个广播给所有其他的交换机端口，问这是谁的IP地址，如果有人回答，就转发给它。

    4．经过一番折腾，“小德”终于要走出这个倒霉的局域网了。可在此之前，它们还没忘给“小德”屁股后面盖个“戳”，说是什么CRC校验值，怕“小德”在旅行途中缺胳膊少腿，还得麻烦它们重新发送。。。。。我靠~~~~注：很多人弄不清FCS和CRC。所谓的CRC是一种校验方法，用来确保数据在传输过程中不会丢包，损坏等等，FCS是数据包（准确的说是frame）里的一个区域，用来存放CRC的计算结果的。到了目的地之后，目的计算机要检查FCS里的CRC值，如果与原来的相同，则说明数据在途中没有损坏。

    5．在走出去之前，那些家伙最后折磨了一次“小德”------把小德身上众多的0和1，弄成了什么“高电压”“低电压”，在双绞线上传送了出去。晕~~出趟门就这么麻烦吗？

    6．坐着双绞线旅游，爽！可当看到很多人坐着同轴电缆，还有坐光纤的时候，小德又感觉不是那么爽了。就在这时，来到了旅途的中转站------路由器。这地方可是高级场所，人家直接查看IP地址！剩下的一概不管，交给下面的人去做。够牛吧？路由器的内部也有一张表，叫做路由表，里面标识着哪一个网络的IP对应着路由器的哪一个端口。这个表也不是天生就有的，而是靠路由器之间互相“学习”之后生成的，当然也可以由管理员手工设定。这个“学习”的过程是依靠路由协议来完成的，比如RIP，EIGRP，OSPF等等。

    7．当路由器查看了“小德”的IP地址以后，根据路由表知道了小德要去的网络，接着就把小德转到了相应的端口了。至此，路由器的主要工作完成，下面又是打包，封装成frame，转换成电压信号等一系列“折腾”的活，就由数据链路层和物理层的模块去干吧。

    8．小德从路由器的出口出来，便来到了目的地----电脑B----所属的网络的默认网关。默认网关可以是路由器的一个端口，也可以是局域网里的各种服务器。不管怎样，下面的过程还是一样的：到交换机里的ARP表查询“小德”的IP地址，看看属于哪个局域网段或端口，然后就转发到B了。

    9．进了B的网卡之后，还要层层“剥皮”，基本上和从A出来的程序是一样的------电脑B先校验一下CRC值，看看数据是否完整；然后检查一下frame的封装，看到是IP协议之后，就把“小德”交给IP“部门”了；IP协议一看目的地址，正确，再看看应用协议，是ICMP。于是知道了该怎么做了------产生一个回应数据包，（可以命名为“回应小德”），并准备以同样的顺序向远端的A发送。。至于刚刚收到的那个数据包就丢弃了。

    10．“回应小德”这个数据包又开始了上述同样的循环，只不过这次发送者是B而接收者是A了。

    以上是一个最简单的路由过程，任何复杂的网络都是在次基础之上实现的。 

二、网络中 IP数据报传输的过程伪代码【有助于理解】

IP数据报需从主机A上传送到主机B上，主机A首先查找路由表;
if(目的主机是与自己在同一个网段内)
{
    主机A查询自己的ARP表;
    if(有该目的IP地址对应的MAC地址的记录)
    {
将该MAC地址作为目的MAC地址，封装数据帧，传送给主机B;
    }
    else
    {
          发送一个ARP请求广播给网段内的所有主机，来查询该目的IP地址的MAC地址;
收到ARP请求报文的各个主机如果发现该IP地址是自己的IP地址，则返回一个ARP应答报文告诉主机A自己的MAC地址;
如果发现不是自己的IP地址，则丢弃该报文。
主机A收到这个应答报文后，就按照返回的MAC地址，将IP数据包封装成帧，然后发送到主机B上;
（补充：一般为了减少网络中的报文量，通信双方会维护一个各自的ARP表，把一次通信中获得IP MAC地址对保存在缓冲的ARP表中,但是ARP表有一个老化机制，删除一段时间内不用的IP MAC地址对。）
    }
}
else if(发现了能与目的网络号相匹配的表目)
{
则把报文发给改表目指定的下一站的路由器或直接连接的网络接口;
报文发送到下一站时，数据帧的目的MAC地址是下一个站路由器或者网络接口的MAC地址，而IP头部的目的IP地址是主机B的IP地址;
这里要指出的是：ARP请求报文以下一站路由器或网络接口的IP地址为目的IP地址，寻找真的目的MAC地址。换句话，ARP请求报文只负责IP数据报传输过程中每一跳中的目的MAC地址查询。
}
else
{
寻找标为“默认”的表目，把报文发送给该表目指定的下一站路由器;
报文发送到下一站时，数据帧的目的MAC地址是下一个站路由器的MAC地址，而IP头部的目的IP地址是主机B的IP地址。
}
数据帧在每两个网络设备间传递时，是转换成bit流在传输媒体上传输。链路层提供了如停止等待协议等机制，控制了bit流在传输媒体上的无措传输。

（三）ARP协议工作过程：

1. 原理：(ARP协议只使用于局域网中)
1> 在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。
2> 在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。
3> ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。
4> 点对点的连接是不需要ARP协议的
2. 工作过程：
1> 当主机A向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在自己的ARP缓冲表中查看有无主机B的IP地址。
2> 如果有，就可以查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过以太网将数据包发送到目的主机中。
3> 如果查不到主机B的IP地址的表项。可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电。其高速缓冲表还是空的。在这中情况下，主机A就自动运行ARP。
(1)ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组。ARP请求分组的主要内容是表明：我的IP地址是192.168.0.2，我的硬件地址是00-00-C0-15-AD-18.我想知道IP地址为192.168.0.4的主机的硬件地址。
(2)在本局域网上的所有主机上运行的ARP进行都收到此ARP请求分组。
(3)主机B在ARP请求分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送ARP响应分组，并写入自己的硬件地址。其余的所有主机都不理睬这个ARP请求分组。ARP响应分组的主要内容是表明：“我的IP地址是192.168.0.4,我的硬件地址是08-00-2B-00-EE-AA”,请注意：虽然ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址。
(4)主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓冲表中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。
3. 事例说明：用ping说明ARP工作的原理
假设我们的计算机IP地址是192.168.1.1，要执行这个命令：ping192.168.1.2。该命令会通过ICMP协议发送ICMP(以太网控制报文协议)数据包
该过程需要经过下面的步骤：　　
1> 应用程序构造数据包，该示例是产生ICMP包，被提交给内核（网络驱动程序）； 　　
2> 内核检查是否能够转化该IP地址为MAC地址，也就是在本地的ARP缓存中查看IP-MAC对应表;
3> 如果存在该IP-MAC对应关系，那么跳到步骤<7；
如果不存在该IP-MAC对应关系，那么接续下面的步骤;
4> 内核进行ARP广播，目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，ARP命令类型为REQUEST（1），其中包含有自己的MAC地址； 　　
5> 当192.168.1.2主机接收到该ARP请求后，就发送一个ARP的REPLY（2）命令，其中包含自己的MAC地址； 　　
6> 本地获得192.168.1.2主机的IP-MAC地址对应关系，并保存到ARP缓存中； 　　
7> 内核将把IP转化为MAC地址，然后封装在以太网头结构中，再把数据发送出去； 　
4. 特殊情况：
ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的目标设备和源主机不在同一个局域网上。
1>此时主机A就无法解析出主机B的硬件地址（实际上主机A也不需要知道远程主机B的硬件地址）;
2>此时主机A需要的是将路由器R1的IP地址解析出来，然后将该IP数据报发送给路由器R1.
3>R1从路由表中找出下一跳路由器R2，同时使用ARP解析出R2的硬件地址。于是IP数据报按照路由器R2的硬件地址转发到路由器R2。
4>路由器R2在转发这个IP数据报时用类似方法解析出目的主机B的硬件地址，使IP数据报最终交付给主机B.
说明：
Ø 如果你的数据包是发送到不同网段的目的地，那么就一定存在一条网关的IP-MAC地址对应的记录。 　　
Ø 知道了ARP协议的作用，就能够很清楚地知道，数据包的向外传输很依靠ARP协议，当然，也就是依赖ARP缓存。要知道，ARP协议的所有操作都是内核自动完成的，同其他的应用程序没有任何关系。同时需要注意的是，ARP协议只使用于本网络。