图解数据在网络中的传输过程

ゝ一纸荒年。 2022-11-21 04:08 196阅读 0赞

# 数据在网络中的传输过程 #

在计算机网络当中，数据是怎么样保证准确的从客户端发送到服务器端的，这是本文探究的重点。

下图是本文中使用的网络拓扑图，数据从客户端发送给服务器端。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 客户端各层对数据的封装 ##

java实现客户端的代码如下：

Socket socket = new Socket("192.168.3.6", 8899);
    
    try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
         PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
    ) { 
        printWriter.println("hello"); // 发送数据
        String line; // 读取数据
        while (null != (line = bufferedReader.readLine())) { 
            System.out.println("receive message from server: " + line);
        }
    }

应用层会指定发送的服务器的域名（或者IP）和端口号、以及要发送数据的内容，传递给下一层传输层。

传输层会在把应用层的报文当成自己的数据，然后在前面拼接源端口号，和目标端口号，其中源端口号就是客户端进程监听的端口号，这个端口号一般不是固定的，由操作系统在49152~65535范围内动态分配，而目标端口号就是服务器接收数据的端口号，一般是固定的，在java代码中会指明。

网络层会在传输层报文的基础上增加源IP和目标IP，其中源IP就是本地网卡的IP地址，目标IP是服务器的IP，如果java代码中指定的是服务器的域名，那么首先需要通过DNS服务器将域名解析为IP，域名解析的流程：先查浏览器缓存->操作系统缓存->hosts文件->DNS服务器。

数据链路层会在网络层的基础上增加源MAC地址和目标MAC地址，其中源MAC地址就是本机网卡的MAC地址，目标MAC地址是`下一跳`网络设备（一般是交换机或路由器）的MAC地址，注意目标MAC地址一般不是服务器的MAC地址（如果客户端和服务器端在同一个网段，那么目标MAC地址就是服务器的MAC地址），因为客户端根本就无法得知服务器的MAC地址，所以数据链路层采用下一跳的机制转递数据，那么怎么知道我的下一跳是谁呢？下面就要请出ARP协议了，ARP会发出一个广播，告诉全世界，大家好，我的IP地址是`192.168.1.6`，我的MAC地址是`00-50-56-C0-88-01`，当同一个网段上的主机接收到ARP报文时，会将这些信息添加自己的ARP缓冲区中的ARP列表，同时将自己的IP地址和MAC地址回应给发送者，这样每个位于同一个网段的主机都有整个网段内各个主机的IP与MAC地址的对应关系了。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

ARP列表的具体内容如下：

# arp -a
    ? (192.168.1.1) at 00-60-47-D4-41-A9 [ether] on eth0
    ? (192.168.1.7) at F8-30-F9-C1-7E-09 [ether] on eth0
    ? (192.168.1.100) at 00-30-F2-C1-2E-89 [ether] on eth0
    ... ...

现在我的目标IP是`192.168.3.6`，又不在这个ARP列表中，那我怎么知道目标MAC地址要填啥呢？填下一跳的MAC地址，那么下一跳是又是谁呢？这里就要请出路由表了。

# route -n
    Kernel IP routing table
    Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
    192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0
    0.0.0.0         192.168.1.100   0.0.0.0         UG    1024   0        0 eth0

这个路由表是计算机的路由表，而不是路由器的路由表，这个路由表怎么来的呢？根据`/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0`这个文件生成的。

# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
    TYPE=Ethernet
    BOOTPROTO=none
    DEFROUTE=yes
    NAME=eth0
    UUID=ff200252-6eac-448d-b904-a6d1a1a7da3c
    ONBOOT=yes
    IPADDR=192.168.1.0
    NETMASK=255.255.255.0
    GATEWAY=192.168.1.100
    DNS1=8.8.8.8
    HWADDR=00-50-56-C0-88-01

那么这个路由表怎么使用呢？将目标IP与每一条记录的子网掩码（Genmask）一一按位与运算，匹配度最高的Destination字段的IP就是下一跳的IP`192.168.1.100`，也就是网关地址GATEWAY，然后根据下一跳的IP去查ARP列表获得MAC地址`00-30-F2-C1-2E-89`。

就这样客户端完成了对报文的组装，交给物理层把数据从网卡发送出去，发送到交换机A。

## 交换机的交换 ##

交换机收到客户端的报文后，会进行解析，只解析到数据链路层，从中获得目标MAC地址，然后查找ARP列表，将报文转发给对应的网卡端口。

交换机中的ARP列表：

Switch#show ip arp
    Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
    Internet  192.168.1.1             -   0060.47D4.41A9  ARPA   Vlan1
    Internet  192.168.1.6             0   0050.56C0.8801  ARPA   Vlan1
    Internet  192.168.1.7             0   F830.F9C1.7E09  ARPA   Vlan1
    Internet  192.168.1.100           0   0030.F2C1.2E89  ARPA   Vlan1
    
    Switch#show mac-address-table
              Mac Address Table
    -------------------------------------------
    
    Vlan    Mac Address       Type        Ports
    ----    -----------       --------    -----
    
       1    0030.f2c1.2e89    DYNAMIC     Fa2/1
       1    0050.56c0.8801    DYNAMIC     Fa0/1
       1    f830.f9c1.7e09    DYNAMIC     Fa1/1

根据目标MAC地址`00-30-F2-C1-2E-89`找到交换机的端口为`Fa2/1`，这样交换机就会把报文从这个端口发送出去，发送到路由器，这里的端口是交换机的物理端口，也就是插入网线的插口。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

## 路由器的路由 ##

路由器可以连接两个不同的网络。

路由器有一张路由表，路由表可以通过网络工程师配置或者从其他路由器学习得到。

Router(config)#do show ip route
    Codes: C - connected, S - static, I - IGRP, R - RIP, M - mobile, B - BGP
           D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
           N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
           E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2, E - EGP
           i - IS-IS, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2, ia - IS-IS inter area
           * - candidate default, U - per-user static route, o - ODR
           P - periodic downloaded static route
    
    Gateway of last resort is not set
    
    C    192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
    C    192.168.3.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1

路由器会解析报文到网络层，然后发现目的IP是`192.168.3.6`，从上面的路由表可以可以发现，想要去`192.168.3.0`网段，只需要将数据从`FastEthernet0/1`端口发送出去即可。

另外路由器会将目标MAC地址替换成下一跳的MAC地址（在这里是服务器的MAC地址，如果中间还有其他路由器，那么就是下一个路由器的MAC地址），怎么替换呢，还是查ARP表：

Router#show ip arp
    Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
    Internet  192.168.1.1             9   0060.47D4.41A9  ARPA   FastEthernet0/0
    Internet  192.168.1.6             11  0050.56C0.8801  ARPA   FastEthernet0/0
    Internet  192.168.1.7             0   F830.F9C1.7E09  ARPA   FastEthernet0/0
    Internet  192.168.1.100           -   0030.F2C1.2E89  ARPA   FastEthernet0/0
    Internet  192.168.3.1             11  000D.BD42.926B  ARPA   FastEthernet0/1
    Internet  192.168.3.6             11  0030.A396.5DE7  ARPA   FastEthernet0/1
    Internet  192.168.3.7             6   00D0.974C.0741  ARPA   FastEthernet0/1
    Internet  192.168.3.100           -   00E0.B043.9302  ARPA   FastEthernet0/1

查询IP`192.168.3.6`的MAC地址为`0030.A396.5DE7`然后将目标MAC替换成这个，然后将数据从`FastEthernet0/1`端口发送出去，交给交换机B，交换机B再将数据转发到服务器端。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

## 服务器端各层对数据的解析 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
服务器端收到数据后会逐层进行解析，最后将真正的数据交应用程序进行处理，至此一个数据从客户端到服务器端就完成了，服务器端会发送响应报文给客户端，大体的流程类似，但是数据不一定是原路返回的，因为中间经过的路由可能不同。

## 扩展 ##

查看域名对应的IP：

> nslookup www.baidu.com 114.114.114.114
    服务器:  public1.114dns.com
    Address:  114.114.114.114
    
    非权威应答:
    名称:    www.a.shifen.com
    Addresses:  183.232.231.174
              183.232.231.172
    Aliases:  www.baidu.com

查看本机到服务器中间经过了多少个路由节点：

C:\>tracert 192.168.3.6
    
    Tracing route to 192.168.3.6 over a maximum of 30 hops: 
    
      1   0 ms      0 ms      0 ms      192.168.1.100
      2   0 ms      0 ms      1 ms      192.168.3.6
    
    Trace complete.

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/6a441dc1cc594cdf8436b0c747f88034.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/3766cabe8b824b93a7d16f2457595c3b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221120/9671a835c1874d439b2fcc48aad240eb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221120/c726bf58fb2646e4abd016863107838e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20221120/f890d12bf8914a2fb1c2e564e151121a.png