網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程的分析

1、網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程的分析我們每天都在使用互聯(lián)網(wǎng)，我們電腦上的數(shù)據(jù)是怎么樣通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)降?另外的一臺(tái)電腦上的呢？把自己的理解寫一下， 可能有很多細(xì)節(jié)還沒有能的很清 楚！希望在以后可以使之更加的完善！有不對的地方還請指正 .我們知道現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)中使用的 TCP/IP協(xié)議是基于，OSI （開放系統(tǒng)互聯(lián)） 的七層參考模型的，（雖然不是完全符合）從上到下分別為應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中數(shù)據(jù)鏈路層又可是分為兩個(gè)子 層分別為邏輯鏈路控制層（Logic Link Control , LLC ）和介質(zhì)訪問控制層（Media Access Control，MAC ）也就是平常說的

2、MAC層。LLC對兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的鏈路進(jìn) 行初始化，防止連接中斷，保持可靠的通信。MAC層用來檢驗(yàn)包含在每個(gè)楨中的地址信息。在下面會(huì)分析到。還要明白一點(diǎn)路由器是在網(wǎng)路層的， 而網(wǎng)卡在數(shù) 據(jù)鏈路層。我們知道，ARP （ Address Resolution Protocol，地址轉(zhuǎn)換協(xié)議）被當(dāng)作底 層協(xié)議，用于IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。在以太網(wǎng)中，所有對IP的訪問最終都 轉(zhuǎn)化為對網(wǎng)卡MAC地址的訪問。如果主機(jī)A的ARP列表中，到主機(jī)B的IP地 址與MAC地址對應(yīng)不正確，由A發(fā)往B數(shù)據(jù)包就會(huì)發(fā)向錯(cuò)誤的 MAC地址，當(dāng) 然無法順利到達(dá)B，結(jié)A與B根本不能進(jìn)行通信。首先我們分析一下在同一個(gè)網(wǎng)段的情況。假設(shè)

3、有兩臺(tái)電腦分別命名為A和B，A需要相B發(fā)送數(shù)據(jù)的話，A主機(jī)首先把目標(biāo)設(shè)備B的IP地址與自己的子 網(wǎng)掩碼進(jìn)行 與”操作，以判斷目標(biāo)設(shè)備與自己是否位于同一網(wǎng)段內(nèi)。如果目標(biāo)設(shè) 備在同一網(wǎng)段內(nèi)，并且 A沒有獲得與目標(biāo)設(shè)備B的IP地址相對應(yīng)的MAC地址 信息，則源設(shè)備（A）以第二層廣播的形式（目標(biāo)MAC地址為全1）發(fā)送ARP請 求報(bào)文，在ARP請求報(bào)文中包含了源設(shè)備（A）與目標(biāo)設(shè)備（B）的IP地址。 同一網(wǎng)段中的所有其他設(shè)備都可以收到并分析這個(gè)ARP請求報(bào)文，如果某設(shè)備發(fā)現(xiàn)報(bào)文中的目標(biāo)IP地址與自己的IP地址相同，則它向源設(shè)備發(fā)回 ARP響應(yīng) 報(bào)文，通過該報(bào)文使源設(shè)備獲得目標(biāo)設(shè)備的 MAC地址信息。為了

4、減少廣播量， 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過ARP表在緩存中保存IP與MAC地址的映射信息。在一次 ARP 的請求與響應(yīng)過程中，通信雙方都把對方的 MAC地址與IP地址的對應(yīng)關(guān)系保 存在各自的ARP表中，以在后續(xù)的通信中使用。ARP表使用老化機(jī)制，刪除在 一段時(shí)間內(nèi)沒有使用過的IP與MAC地址的映射關(guān)系。一個(gè)最基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)：審戶機(jī)如果中間要經(jīng)過交換機(jī)的話，根據(jù)交換機(jī)的原理，它是直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng) 端口，那么就必須保有一個(gè)數(shù)據(jù)庫，包含所有端口所連網(wǎng)卡的MAC地址。它通過分析Ethernet包的包頭信息（其中包含不原 MAC地址，目標(biāo)MAC地址，信 息的長度等信息），取得目標(biāo)B的MAC地址后，查找交換機(jī)中

5、存儲(chǔ)的地址對照 表，（MAC地址對應(yīng)的端口），確認(rèn)具有此 MAC地址的網(wǎng)卡連接在哪個(gè)端口 上，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到這個(gè)對應(yīng)的端口，也就相應(yīng)的發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)B上。這樣一來，即使某臺(tái)主機(jī)盜用了這個(gè)IP地址，但由于他沒有這個(gè) MAC地址， 因此也不會(huì)收到數(shù)據(jù)包。|現(xiàn)在我們討論兩臺(tái)不在同一個(gè)網(wǎng)段中的主機(jī)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中要從主機(jī)PC-A發(fā)送 數(shù)據(jù)包PAC到PC-C主機(jī)中，如下圖所示：路由器 A =路由器 B|INTERNET|丨jI交換機(jī)A交換機(jī)BI II II II IPC-A PC-BPC-C PC-DPC-A并不需要獲取遠(yuǎn)程主機(jī)（PC-C ）的MAC地址，而是把IP分組發(fā)向缺 省網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)IP分組的完

6、成轉(zhuǎn)發(fā)過程。如果源主機(jī)（PC-A）沒有缺省網(wǎng)關(guān) MAC地址的緩存記錄，則它會(huì)通過 ARP協(xié)議獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址，因此在A 的ARP表中只觀察到網(wǎng)關(guān)的MAC地址記錄，而觀察不到遠(yuǎn)程主機(jī)的MAC地址。在以太網(wǎng)（Ethernet）中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要和另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行直接通信， 除了知道目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層邏輯地址（如IP地址）外，還要知道目標(biāo)設(shè)備的第二 層物理地址（MAC地址）。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標(biāo)設(shè)備的IP地址，查 詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送是一個(gè)及其復(fù)雜的過程， 上圖只是一種很簡單的情況， 中間沒有過多的中間節(jié)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)實(shí)中只會(huì)比這個(gè)更復(fù)雜，但

7、是大致的原理是一 致的。（1）PC-A要發(fā)送數(shù)據(jù)包到PC-C的話，如果PC-A沒有PC-C的IP地址，則 PC-A首先要發(fā)出一個(gè)dns的請求，路由器A或者dns解析服務(wù)器會(huì)給PC-A回 應(yīng)PC-C的ip地址，這樣PC-A關(guān)于數(shù)據(jù)包第三層的IP地址信息就全了：源IP 地址：PC-A，目的ip地址：PC-C。（2）接下來PC-A要知道如何到達(dá)PC-C，然后，PC-A會(huì)發(fā)送一個(gè)arp的地址 解析請求，發(fā)送這個(gè)地址解析請求，不是為了獲得目標(biāo)主機(jī)PC-C的MAC地址， 而是把請求發(fā)送到了路由器 A中，然后路由器A中的MAC地址會(huì)發(fā)送給源主機(jī) PC-A，這樣PC-A的數(shù)據(jù)包的第二層信息也全了， 源MAC地

8、址：PC-A的MAC 地址，目的MAC地址：路由器A的MAC地址，（3）然后數(shù)據(jù)會(huì)到達(dá)交換機(jī) A,交換機(jī)A看到數(shù)據(jù)包的第二層目的 MAC地址， 是去往路由器A的，就把數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器 A，路由器A收到數(shù)據(jù)包，首先 查看數(shù)據(jù)包的第三層ip目的地址，如果在自己的路由表中有去往 PC-C的路由， 說明這是一個(gè)可路由的數(shù)據(jù)包。（4）然后路由器進(jìn)行IP重組和分組的過程。首先更換此數(shù)據(jù)包的第二層包頭信 息，路由器PC-A到達(dá)PC C要經(jīng)過一個(gè)廣域網(wǎng)，在這里會(huì)封裝很多廣域網(wǎng)相 關(guān)的協(xié)議。其作用也是為了找下一階段的信息。同時(shí)對第二層和第三層的數(shù)據(jù)包 重校驗(yàn)。把數(shù)據(jù)經(jīng)過In ternet發(fā)送出去。最后經(jīng)過很多

9、的節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)主機(jī) PC_C 中?，F(xiàn)在我們想一個(gè)問題，PC-A和PC-C的MAC地址如果是相同的話，會(huì)不會(huì) 影響正常的通訊呢！答案是不會(huì)影響的，因?yàn)檫@兩個(gè)主機(jī)所處的局域網(wǎng)被廣域網(wǎng) 分隔開了，通過對發(fā)包過程的分析可以看出來， 不會(huì)有任何的問題。而如果在同 一個(gè)局域網(wǎng)中的話，那么就會(huì)產(chǎn)生通訊的混亂。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到交換機(jī)是，這是的 端口信息會(huì)有兩個(gè)相同的 MAC地址，而這時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送到兩個(gè)主機(jī)上，這樣信 息就會(huì)混亂。因此這也是保證 MAC地址唯一性的一個(gè)理由。知識(shí)補(bǔ)充：（1）網(wǎng)關(guān)的含義：是說這樣一種設(shè)備：如果主機(jī)要發(fā)包，就往這個(gè)設(shè)備發(fā)送。 也就是說此設(shè)備要有路由功能或有去往外部網(wǎng)路的路徑。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)

10、里，網(wǎng)關(guān)一般由路由器或 server充當(dāng)。（2）ARP（Address Resolution Protocol） 是地址解析協(xié)議，ARP 是一種將 IP 地 址轉(zhuǎn)化成物理地址的協(xié)議。從IP地址到物理地址的映射有兩種方式：表格方式和非表格方式。ARP具體說來就是將網(wǎng)絡(luò)層（IP層，也就是相當(dāng)于OSI的第三 層）地址解析為數(shù)據(jù)連接層（MAC層，也就是相當(dāng)于OSI的第二層）的MAC 地址。ARP協(xié)議是通過IP地址來獲得MAC地址的。（3） 網(wǎng)絡(luò)中需要唯一的MAC地址的理由：（a）IP地址的分配是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓 樸結(jié)構(gòu)，而不是根據(jù)誰制造了網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。若將高效的路由選擇方案建立在設(shè)備制 造商的基礎(chǔ)上而不是網(wǎng)絡(luò)

11、所處的拓樸位置基礎(chǔ)上，這種方案是不可行的。（b） 當(dāng)存在一個(gè)附加層的地址尋址時(shí)， 設(shè)備更易于移動(dòng)和維修。例如，如果一個(gè)以太 網(wǎng)卡壞了，可以被更換，而無須取得一個(gè)新的IP地址。如果一個(gè)IP主機(jī)從一個(gè) 網(wǎng)絡(luò)移到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以給它一個(gè)新的IP地址，而無須換一個(gè)新的網(wǎng)卡。（c） 無論是局域網(wǎng)，還是廣域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)之間的通信， 最終都表現(xiàn)為將數(shù)據(jù)包從某 種形式的鏈路上的初始節(jié)點(diǎn)出發(fā)，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終傳送到目 的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)包在這些節(jié)點(diǎn)之間的移動(dòng)都是由 ARP，負(fù)責(zé)將IP地址映射到MAC 地址上來完成的。（4）標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一般至少有三種方法，最常用的是域名地址、IP地址和MAC

12、地址，分別對應(yīng)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層。網(wǎng)絡(luò)管理一般就是在網(wǎng) 絡(luò)層針對IP地址進(jìn)行管理，但由于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址可以由用戶自行設(shè)定， 管理起來相對困難，MAC地址一般不可更改，所以把IP地址同MAC地址組合 到一起管理就成為常見的管理方式。交換機(jī)和路由器的主要區(qū)別：（1）、二者的工作層次不同最初的的交換機(jī)是工作在 OSI/RM開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈路層，也就是第二層， 而路由器一開始就設(shè)計(jì)工作在 OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層。由于交換機(jī)工作在 OSI的第 二層（數(shù)據(jù)鏈路層），所以它的工作原理比較簡單，而路由器工作在 OSI的第 三層（網(wǎng)絡(luò)層），可以得到更多的協(xié)議信息，路由器可以做出更加智能的轉(zhuǎn)發(fā)決J策o（

13、2）、二者的據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所依據(jù)的對象不同交換機(jī)是利用物理地址或者說 MAC地址來確定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目的地址。而路由器 則是利用不同網(wǎng)絡(luò)的ID號（即IP地址）來確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的地址。IP地址是在 軟件中實(shí)現(xiàn)的，描述的是設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)，有時(shí)這些第三層的地址也稱為協(xié)議地 址或者網(wǎng)絡(luò)地址。MAC地址通常是硬件自帶的，由網(wǎng)卡生產(chǎn)商來分配的，而且 已經(jīng) 固化到了網(wǎng)卡中去，一般來說是不可更改的。而IP地址則通常由網(wǎng)絡(luò)管理 員或系統(tǒng)自動(dòng)分配。（3）、傳統(tǒng)的交換機(jī)只能分割沖突域，不能分割廣播域；而路由器可以分割廣 播域由交換機(jī)連接的網(wǎng)段仍屬于同一個(gè)廣播域， 廣播數(shù)據(jù)包會(huì)在交換機(jī)連接的所有網(wǎng) 段上傳播，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致通信擁擠和安全漏洞。 連接到路由器上的網(wǎng)段會(huì) 被分配成不同的廣播域，廣播數(shù)據(jù)不會(huì)穿過路由器。雖然第三層以上交換機(jī)具有 VLAN功能，也可以分割廣播域，但是各子廣播域之間是不能通信交流的，它們 之間的交流仍然需要路由器。（4）路由器提供了防火墻的服務(wù)，而交換機(jī)則沒有路由