利用TCP/IP模型理解数据通信过程

1.回顾TCP/IP模型
 

TCP/IP模型是当今IP网络的基础（由OSI七层参考模型发展而来，也称为DoD模型）。
分层参考模型的设计是非常经典的理念：

• 层次化的模型设计将网络的通信过程划分为更小、更简单的部件，因此有助于各个部件的独立开发、设计和故障排除；

• 层与层之间相互独立，又互相依赖，每一层都有该层的功能、以及定义的协议标准。层与层之间相互配合，共同完成数据通信的过程；

• 通过组件的标准化，允许多个供应商进行开发；

• 通过定义在模型的每一层实现什么功能，鼓励产业的标准化；

• 允许各种类型的网络硬件和软件相互通信。

 

2.理解数据通信过程 

下面我们来分析一下PC去访问Server的WEB服务的详细通信过程。在阐述过程中，我们重点放在利用TCP/IP参考模型理解通信过程，因此可能会忽略部分技术细节，例如DNS、TCP三次握手等，这些技术细节这里暂不做讨论。事实上，整个过程的宏观层面如下：
 

我们一步一步的来分析：

1） PC的用户在WEB浏览器中访问Server的WEB服务（这里我们暂且不去关注底层的HTTP交互、DNS交互等细节。重点看通信过程），PC的这次操作将触发HTTP应用为用户构造一个应用数据。当然这个数据最终要传递到Server并最终“递交”到Server的HTTP应用来处理，但是HTTP不关心数据怎么传、怎么寻址、怎么做差错校验等等，那么这些事情就交由专门的Layer来完成，所以HTTP应用数据还的经过一番“折腾”才能从PC传出去到达Server，现在开始。
 

 

2） 由于HTTP基于TCP，因此这个应用数据交由TCP/IP模型中的主机到主机层进一步处理。在该层，上层HTTP应用数据被封装上一个TCP的头部，在TCP头部中，这里我们重点关注两个字段，一个是源端口号，另一个是目的端口号，源端口号为随机，目的端口号为80（HTTP服务对应的默认端口号是80）。然后这个数据segment被交给下一个Layer处理。
 

3） 到了IP层，IP协议为这个上层下来的数据封装上一个IP头，以便该数据能够在IP网络中被网络设备转发（路由）。IP头当中，我们重点关注源IP地址、目的IP地址、协议号这三个字段。其中源地址存放的是PC自己的IP地址192.168.1.1，目的地址存放的是Server的IP地址192.168.2.1，而协议号字段则存放的是值6，这个值是一个well-known值，也就是行业约定的、众所周知的值，该值对应上层协议类型TCP，表示我这个IP头后面封装的上层协议为TCP。搞定之后，这个数据被交给下一层处理。
 

4）为了让这个IP数据包能够在链路上传输，还要给数据包封装上一个数据链路层的头部，由于我们这里是以太网链路，因此上层下来的IP数据包被封装上一个以太网的数据帧头。这个数据帧头中源MAC地址为PC的网卡MAC，那么目的MAC呢？PC知道，数据的目的地是192.168.2.1这个IP，而本机IP是192.168.1.1/24，显然，目的地与自己并不在同一个网段，因此需要借助自己的网关，让网关来帮助自己将数据包转发出去。那么首先我得把数据转发到网关吧？因此目的MAC地址填写的就是网关192.168.1.254对应的MAC地址。但是初始情况下，PC可能并没有192.168.1.254的MAC，所以，它会发送一个ARP广播去请求192.168.1.254的MAC，R1的GE0/0/0口会收到这个ARP请求并且回送ARP响应。如此一来PC就知道了网关的MAC，它将网关MAC 0018-0011-0001填写在以太网数据帧头部的目的MAC中。另外，以太网数据帧头的类型字段写上0x0800这个值，表示我这个数据帧头后面封装的是一个IP包。好了费了好大劲儿，这个数据帧终于搞定了：
 

5）值得一提的是，事实上在物理链路中传输的是bit流，或者电气化的脉冲，只不过为了方便理解和更加直观的分析，我们往往会以IP包或者数据帧的形式来阐述通信过程。所以从物理上说，最终这个以太网数据帧变成了一堆的101010101从网线传到了路由器R1上。
 

6）路由器R1在收到这一串的1010后，先将他们还原成数据帧。
然后会采用相应的机制检查一下数据帧在传输过程中是否有损坏，如果没有损坏，那么就瞅瞅数据帧头部中的目的MAC地址，看看目的MAC地址是不是我收到这个数据帧的GE0/0/0口的MAC，结果发现是，它很高兴，觉得这个数据帧是给我的，它查看数据帧头部的类型字段，发现是0x0800，于是它知道里头装的是一个IP包，接着它将以太网数据帧头剥去或者说解封装，然后移交给上层IP协议继续处理。
 

7）现在R1的IP协议栈接着处理这个报文：
 

它会先校验一下数据在传输过程中，IP头有没有受损，如果没有，它就查看IP头中的目的IP地址字段，结果发现目的IP地址为192.168.2.1，发现其实并不是自己的IP地址 �C 原来这个数据包是发给别人的，于是它开始拿着目的地址192.168.2.1到地图（路由表）里去查，看看有没有到192.168.2.1这个目的地去的路径，结果发现有，并且这个路由条目指示它把数据包从从GE0/0/1口送出去交给192.168.12.2这个IP。于是它不再继续拆IP头看包裹里头的东东了，而是乖乖的将IP数据包往下交还给以太网协议去处理。

8）现在以太网协议继续处理上层下来的IP包，它为这个IP包封装上一个新的以太网帧头，帧头中源MAC地址为R1的GE0/0/1口的MAC：0018-0011-0002，目的MAC是这个数据包即将交给的下一跳路由器192.168.12.2对应的MAC，当然初始情况下R1是不知道这个MAC的，因此又是一轮ARP广播并最终拿到这个MAC：0018-0022-0001，于是它将这个值填写在目的MAC字段中。完成新的数据帧头的封装后，R1把这个数据帧变成1010101通过电气信号传递给R2。
 

9）R2收到这些10101后，同样的，还是先成帧，然后查看帧头，发现目的MAC填写的就是自己接口的MAC，并且帧头中类型字段写的是0x0800（指示上层协议是IP，也就是数据帧头内封装的是一个IP包），于是将数据帧头剥去，将里头的IP数据包交给IP协议去处理。
 

10）而IP协议在处理过程中发现，目的IP地址并非本路由器的IP，于是它知道，这个数据包不是发送给自己的，它拿着目的IP地址192.168.2.1在路由表中去查，结果发现，R2的GE0/0/1口就连接着192.168.2.0/24网络，原来家门口就是了，于是它将这个IP包交还给下层协议去处理。
 

11）接下来又是重新封装成帧，R2为这个IP包封装上一个新的数据帧头部，帧头中，源MAC为R2的GE0/0/1口的MAC，目的MAC为192.168.2.1这个IP地址对应的MAC，如果ARP表里有192.168.2.1对应的MAC，则直接将MAC地址写入目的MAC中，如果没有，则发ARP去请求。另外类型字段依然填写0x0800。最终，R2将这个数据帧传给了Server。
 

12）好不容易，终于数据帧是到了Server了。Server首先是将101010这些比特流还原成帧，然后做校验看看帧头是否损坏，如果没有，则查看数据帧的目的MAC，结果发现就是自己的MAC，于是查看类型字段，发现是0x0800，于是知道这里头装的是一个IP包，于是将帧头剥去，将内层的IP数据包交给上层协议IP去处理。IP收到这个数据包之后，首先依然是查看IP包头是否损坏，如果没有，则查看目的IP地址，发现目的IP地址是192.168.2.1正是自己的网卡IP，于是它知道，这个IP包是发给自己的，因此继续查看IP包头中的协议字段，发现协议字段填写的是6这个值，原来这个IP包头后面封装的是一个TCP的数据，因此将IP包头剥去，将里头的TCP数据交给上层的TCP协议去处理。而TCP在处理这个数据的时候，查看TCP头部的目的端口号，发现目的端口号是80，而本地的TCP80端口是开放的，开放给HTTP应用了，接着它将TCP头部剥去，交给HTTP应用，好了终于从PC发送出来的HTTP应用数据，到达了目的地 �CServer的HTTP应用的手中。