网络中数据传输过程的分析

我们知道现在的互联网中使用的TCP/IP协议是基于，OSI（开放系统互联）的七层参考模型的，（虽然不是完全符合）从上到下分别为 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层和物理层。其中数据链路层又可是分为两个子层分别为逻辑链路控制层（Logic Link Control，LLC ）和介质访问控制层（(Media Access Control，MAC )也就是平常说的MAC层。LLC对两个节点中的链路进行初始化，防止连接中断，保持可靠的通信。MAC层用来检验包含在每个桢中的地址信息。在下面会分析到。还要明白一点路由器是在网路层的，而网卡在数据链路层。

我们知道，ARP（Address Resolution Protocol，地址转换协议）被当作底层协议，用于IP地址到物理地址的转换。在以太网中，所有对IP的访问最终都转化为对网卡MAC地址的访问。如果主机A的ARP列表中，到主机B的IP地址与MAC地址对应不正确，由A发往B数据包就会发向错误的MAC地址，当然无法顺利到达B，结 果是A与B根本不能进行通信。

首先我们分析一下在同一个网段的情况。假设有两台电脑分别命名为A和B，A需要相B发送数据的话，A主机首先把目标设备B的IP地址与自己的子网掩码进行“与”操作，以判断目标设备与自己是否位于同一网段内。如果目标设备在同一网段内，并且A没有获得与目标设备B的IP地址相对应的MAC地址信息，则源设备（A）以第二层广播的形式(目标MAC地址为全1)发送ARP请求报文，在ARP请求报文中包含了源设备（A）与目标设备（B）的IP地址。同一网段中的所有其他设备都可以收到并分析这个ARP请求报文，如果某设备发现报文中的目标IP地址与自己的IP地址相同，则它向源设备发回ARP响应报文，通过该报文使源设备获得目标设备的MAC地址信息。为了减少广播量，网络设备通过ARP表在缓存中保存IP与MAC地址的映射信息。在一次 ARP的请求与响应过程中，通信双方都把对方的MAC地址与IP地址的对应关系保存在各自的ARP表中，以在后续的通信中使用。ARP表使用老化机制，删除在一段时间内没有使用过的IP与MAC地址的映射关系。

如果中间要经过交换机的话，根据交换机的原理，它是直接将数据发送到相应端口，那么就必须保有一个数据库，包含所有端口所连网卡的MAC地址。它通过分析Ethernet包的包头信息（其中包含不原MAC地址，目标MAC地址，信息的长度等信息），取得目标B的MAC地址后，查找交换机中存储的地址对照表，（MAC地址对应的端口），确认具有此MAC地址的网卡连接在哪个端口上，然后将数据包发送到这个对应的端口，也就相应的发送到目标主机B上。这样一来，即使某台主机盗用了这个IP地址，但由于他没有这个MAC地址，因此也不会收到数据包。
现在我们讨论两台不在同一个网段中的主机，假设网络中要从主机PC-A发送数据包PAC到PC-C主机中，如下图所示：

PC-A并不需要获取远程主机（PC-C）的MAC地址，而是把IP分组发向缺省网关，由网关IP分组的完成转发过程。如果源主机（PC-A）没有缺省网关MAC地址的缓存记录，则它会通过ARP协议获取网关的MAC地址，因此在A的ARP表中只观察到网关的MAC地址记录，而观察不到远程主机的 MAC地址。在以太网(Ethernet)中，一个网络设备要和另一个网络设备进行直接通信，除了知道目标设备的网络层逻辑地址(如IP地址)外，还要知道目标设备的第二层物理地址(MAC地址)。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。

数据包在网络中的发送是一个及其复杂的过程，上图只是一种很简单的情况，中间没有过多的中间节点，其实现实中只会比这个更复杂，但是大致的原理是一致的。

（2）接下来PC-A要知道如何到达PC-C，然后，PC-A会发送一个arp的地址解析请求，发送这个地址解析请求，不是为了获得目标主机PC-C的MAC地址，而是把请求发送到了路由器A中，然后路由器A中的MAC地址会发送给源主机PC-A，这样PC-A的数据包的第二层信息也全了，源MAC地址：PC-A的MAC地址，目的MAC地址：路由器A的MAC地址

（3）然后数据会到达交换机A,交换机A看到数据包的第二层目的MAC地址，是去往路由器A的，就把数据包发送到路由器A，路由器A收到数据包，首先查看数据包的第三层ip目的地址，如果在自己的路由表中有去往PC-C的路由，说明这是一个可路由的数据包。

（4）然后路由器进行IP重组和分组的过程。首先更换此数据包的第二层包头信息，路由器PC-A到达PC—C要经过一个广域网，在这里会封装很多广域网相关的协议。其作用也是为了找下一阶段的信息。同时对第二层和第三层的数据包重校验。把数据经过Internet发送出去。最后经过很多的节点发送到目标主机PC_C中。

PC-A和PC-C的MAC地址如果是相同的话，会不会影响正常的通讯呢？答案是不会影响的，因为这两个主机所处的局域网被广域网分隔开了，通过对发包过程的分析可以看出来，不会有任何的问题。而如果在同一个局域网中的话，那么就会产生通讯的混乱。当数据发送到交换机是，这是的端口信息会有两个相同的MAC地址，而这时数据会发送到两个主机上，这样信息就会混乱。因此这也是保证MAC地址唯一性的一个理由。

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