网络基础和网络设备传输流程（广域网数据传输流程）

目录

一、IP网络基础

1、IP地址和MAC地址

【1】IP地址

【2】MAC地址

【3】一跳一跳的网络数据传输

【4】IP地址和MAC地址的区别

2、子网掩码

3、网络设备及相关技术

【1】集线器：转发所有端口

【2】交换机：MAC地址转换表

【3】主机：网络分层从上到下封装

【4】主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

【5】路由器：路由+NAPT

4、冲突域和广播域

【1】冲突域

【2】广播域

二、网络数据传输流程

1、局域网传输流程：集线器

 2、局域网传输流程：交换机

 3、局域网（不同网段）传输流程：交换机+路由器

4、广域网数据传输流程

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一、IP网络基础

1、IP地址和MAC地址

【1】IP地址

作用：IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式。为互联网上每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

格式：

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

IP协议有两个版本，IPV4和IPV6。IP地址默认指IPV4。IPV4的数量为2^32，IPV6的数量是2^128（长度是IPV4的四倍）。

组成：

• 网络号：标识网段，一个大型网络是由多个小型网络组成的，不同的网络有不同的编号；
• 主机号：标识主机。

一个IP地址，包含网络号和主机号，整个用于标识主机，先通过网络号找到网络，然后再找网络内的主机。

分类：

【2】MAC地址

MAC地址，用来标识网络设备的硬件物理设备。

• 主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡，每一个网卡都有唯一的IP地址；
• 网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡上接收数据；
• MAC地址长度为48位，一般用16进制的数字加上冒号的形式来表示。

特殊的MAC地址（广播数据报的MAC地址）：对同网段的所有主机发送数据报。FF:FF:FF;FF:FF:FF

【3】一跳一跳的网络数据传输

以下为主机B传输数据到主机C经过的网络设备：

 主机：具有IP地址，但是不进行路由控制；

路由器：配有IP地址，也能进行路由的控制；

网络节点：主机和路由器的统称。（主机和路由器由IP地址，交换机和路由器没有IP地址）

对于数据传输，数据不是直接从源主机到目的主机，而是需要在如图的路径中，一步一步的前进。

【4】IP地址和MAC地址的区别

• IP地址是网络逻辑地址，MAC地址是物理地址；
• IP地址是整个路途的起点和终点，MAC地址描述的是路途上每一个区间的起点和终点。

2、子网掩码

解决IP地址浪费的问题。

作用：

• 划分子网：将A~C类IP地址再次划分为更小的网络（划分的方式是将主机号的一部分作为内部的一个网络号）；
• 子网掩码可以基于IP地址计算出网络号和主机号：

子网掩码计算网络号和主机号：

• IP地址与子网掩码进行按位与操作，得到网络号；
• 子网掩码进行按位取反操作后，再与IP地址就行按位与，得到的就是主机号。

3、网络设备及相关技术

【1】集线器：转发所有端口

工作在物理层的网络设备，发送到集线器的任何数据，都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口。

【2】交换机：MAC地址转换表

交换机工作在数据链路层，内部会记录并维护一张MAC地址转换表：

• MAC地址转换表：记录MAC地址与端口之间的映射关系；
• 主机连接交换机，及发送数据的时候，交换机会记录该主机的MAC地址与端口信息；
• 交换机接收到数据报后，通过目的MAC在MAC地址交换表中找到对应端口，将数据报转发到对应端口即可；
• 如果MAC地址转换表中没有找到对应端口的信息，交换机发送广播到其它所有的端口，等到目的主机返回响应后，再转发数据报到对应端口，同时记录该主机MAC地址和端口之间的映射关系。

【3】主机：网络分层从上到下封装

 根据源主机和目的主机是否在同一个网段，来设置不同的下一跳设备：

• 同一个网段，下一跳设备就是目的主机；
• 不同网段，设置下一跳设备为网关设备。

【4】主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

APR协议：通过IP地址找MAC地址（介于数据链路层和网络层之间的一个协议）

ARP缓存表：主机或路由器，内部维护的一组数据（类似hash表，通过IP找MAC）

ARP寻址：（在数据链路层封装数据报时，需要设置目的主机的MAC地址，寻址就是查找下一跳MAC地址的过程）

• 主机和路由器都保存了一张ARP缓存表，根据下一跳设备的IP地址，如果在ARP缓存表中可能找到MAC地址，则直接设置并发送数据报；
• 如果找不到，发送ARP广播数据报（目的IP为广播地址）。

【5】路由器：路由+NAPT

网关：

路由器作为网关，可以划分公网和局域网，还可以将局域网划分为多个子网（不同网段）

• 公网端口即WAN口，为单独的网卡，具有公网IP地址和MAC地址；
• 划分的多个子网，有局域网端口即LAN口划分，每个端口都有独立的网卡，具有该网段的IP地址和MAC地址。

NAPT协议：将子网的IP地址和MAC地址转换为公网的IP地址和MAC地址。

局域网从主机发送数据报到公网的主机时：

• 先从主机发送到路由器（此时需要基于NAPT协议将子网的主机IP地址和MAC地址转换为公网的IP地址和MAC地址【由于目的主机需要返回响应数据，此时目的IP和MAC需要设置为公网的IP和MAC】）；
• 然后再从路由器发送数据报到下一跳的设备。

路由：

在复杂的网络结构中找到一条通往终点的路线。网络通信路由器中的路由功能，就是进行路线规划，找到通往目的地的最佳路径。

路由器中存在一个路由表，保存有IP地址的信息（类似于地图中的坐标点）

4、冲突域和广播域

【1】冲突域

主机之间通过网络设备的物理端口、网线相连时，两个主机同时发送数据报，如果存在冲突，该网络范围为一个冲突域（冲突与在物理层）。

• 集线器：所有端口为一个冲突域；
• 交换机：交换机可以分割冲突域，及一个端口为一个冲突域；

【2】广播域

某个网络中的主机向网络中其他所有的主机发送数据，这个数据所能传输到的范围为广播域。

• 集线器：所有端口为一个广播域；
• 交换机：接收到广播数据报时，会转发到其它所有的端口；
• 路由器：可以隔离广播域，广播的范围是同网段。

二、网络数据传输流程

1、局域网传输流程：集线器

使用集线器网络互联的情况下，发送数据报时，需要先从上到下封装数据报。封装时，目的MAC可能不知道，需要先进行ARP寻址：

• 发送端在本机ARP缓存表中，根据目的IP查找对应的MAC地址；
• 如果找到，在数据链路层以太网帧头中设置目的MAC并发送数据包；
• 如果没有找到，先发送ARP广播，让目的主机回复自己的MAC地址；
• 发送端更新本机的ARP缓存表（保存目的IP和MAC的映射）；
• 然后发送数据报。

本机缓存表可以找到目的MAC的流程：

如果本机ARP缓存表中找不到目的MAC，需要先发送广播，流程如下：

 2、局域网传输流程：交换机

交换机MAC地址转换表

 3、局域网（不同网段）传输流程：交换机+路由器

子网掩码和网关。

 具体流程如下：

从主机一发送数据到主机六：

1. 先在主机一对数据进行封装，封装到数据链路层时，需要目的MAC；
2. 通过子网掩码的按位与运算计算出源主机和目的主机的网段，判断是否为同一个网段。如果是，则和之前交换机的流程一样；
3. 如果不是同一个网段，交给网关处理，即找到路由器的IP地址，再根据ARP寻址找到其MAC地址，发送数据报到网关设备；
4. 发送的数据经过交换机，交换机在MAC地址转换表中，根据目的MAC找到其对应端口，并发送数据到相连的设备；
5. 此时数据报发送到路由器中，路由器对数据进行分用，进行ARP寻址后找到目的MAC，此时修改源MAC为路由器的MAC地址，目的MAC为目的主机主机六的MAC地址，封装后将数据发送到目的主机；
6. 此时数据报再次经过交换机，交换机通过MAC地址转换表找到其对应的端口，并发送数据报到目的主机；
7. 目的主机接收到数据报后，进行分用；同时返回响应数据报，源IP和目的IP、源MAC和目的MAC交换即可。

4、广域网数据传输流程

DNS（域名系统）一整套从域名映射到IP的系统：

使用IP地址来确定一个网络中的主机，但IP地址不方便记忆，且不能方便的表达地址组织信息，于是有了域名，通过域名系统来映射域名和IP地址。

可以通过域名查找该网站的IP地址（以百度网站为例）：

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析找到其IP地址；

• 域名解析：可以简单地理解为发送端主机作为域名系统树形结构的一个子结点，通过域名信息，自下而上查找对应IP地址的过程。
• 域名解析使用DNS协议来传输数据。（DNS协议是应用层的协议，基于传输层UDP和TCP协议来实现）。

 具体流程如下：

以访问百度网站为例：

发送http请求到百度服务器：http://www.baidu.com，根据DNS协议将域名转换为IP地址。http协议不带端口默认端口值为80.

• 首先对数据进行封装，封装到数据链路层时需要设置目的MAC，根据子网掩码计算源IP和目的IP的网段，如果相等，和交换机的流程一样；
• 如果不相等，需要交给网关处理，也就是交给路由器处理，通过ARP寻址，查找路由器IP地址对应的MAC地址；
• 接下来到交换机，交换机保存有MAC地址转换表，读取数据后，通过mudiMAC查找对应的端口：如果找到，直接将数据报转发到对应的端口；如果没有找到，进行广播，目的主机进行响应，记录目的主机MAC和端口，将数据转发到相应端口；
• 此时数据报传输到路由器，分用解析数据报：
  【1】基于NAPT协议，转换源IP为路由器公网的IP，源MAC为路由器公网的MAC；
  【2】基于路由技术，通过路由表计算路线，找到下一个设备的IP；
  【3】通过ARP寻址，找到下一个设备的MAC，封装数据报发送给下一个设备；
• 重复上面的步骤，直到将数据发送到百度服务器，此时服务器对数据报进行接收分用：
  【1】数据链路层：目的MAC和我一样，进行接收；
  【2】网络层：目的IP和我一样，进行处理；
  【3】传输层：根据端口找对应的进程；
  【4】应用层：将数据交给应用层，有应用程序根据应用层协议进行解析。
• 最后，百度服务器返回响应数据报，和请求流程一样，知识交换目的IP和源IP、目的端口和源端口。