从数据包的角度详细解析：网络运转

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在本节中，我们将通过一个完整的网络流量示例，逐步演示计算机在通过计算机网络进行通信时将经历哪些步骤。本示例将整合其他章节中的大量信息，是一个全面而完整的示例。

大多数人都会惊讶地发现，计算机发送一个简单的数据包竟然需要这么多步骤，而且其中有很多步骤对于普通用户来说是完全隐藏的，除非你事先知道，否则你永远不会知道。

如果您已经浏览过本网站的大部分内容，那么您可能已经对本教程可能包含的步骤数量有所了解。

下面的示例展示了一个小型家庭网络，其中一台计算机刚刚启动。该计算机已手动配置了 IP 地址，但尚未与网络通信。用户坐在计算机旁，打开 Web 浏览器并尝试访问 www.iis.se。

首先，我们来看一下整体情况。这张图展示了示例中的网络拓扑结构。在接下来的很多步骤中，我们会放大查看网络中最相关的部分，以避免每次都绘制完整的网络拓扑图。

网络拓扑示例

现在让我们从交通示例讲解开始！

步骤 1：计算机想要发送流量

一台连接到家庭网络的计算机刚刚启动。该计算机已手动配置了 IP 地址、子网掩码、DNS 服务器和默认网关。DNS 服务器和默认网关地址都指向家庭路由器的局域网 IP 地址。

计算机用户打开网页浏览器并访问www.iis.se

首先，Web浏览器会指示计算机上的操作系统建立计算机与www.iis.se之间的通信。

网页浏览器指示操作系统建立会话

步骤 2：DNS

这部分又细分为许多子步骤。

步骤 2a：DNS 缓存

计算机操作系统会检查其 DNS 缓存，以确定是否已知道www.iis.se的 IP 地址。由于计算机刚刚启动，之前从未访问过www.iis.se，因此 DNS 缓存为空。

计算机检查其 DNS 缓存

现在计算机必须向其 DNS 服务器查询www.iis.se的 IP 地址。

步骤 2b：组合 DNS 查询

计算机将构建一个 DNS 查询，并将其发送到它配置使用的 DNS 服务器 192.168.1.1。

DNS 查询的目标地址是 192.168.1.1，源 IP 地址是计算机自身的 IP 地址，即 192.168.1.5。

DNS 使用 UDP 作为传输协议。DNS 查询的目标端口是 53/UDP。当 DNS 查询到达 DNS 服务器时，服务器可以通过查看目标端口 53/UDP 来判断该消息是发往 DNS 服务器程序的，并将消息转发给正在运行的 DNS 程序。

计算机操作系统还必须随机化一个源端口，该端口也会写入消息中。

计算机构建 DNS 查询

但是，当计算机将 DNS 查询组合起来时，它注意到必须检查应该将数据包发送到哪个目标 MAC 地址。

所以目前，操作系统会将数据包放入内存中的一个队列中，然后开始确定要使用的目标 MAC 地址。

步骤 2c：检查 ARP 表中是否存在有效的 MAC 地址

计算机现在将检查其 ARP 表，看看它是否知道与路由器 IP 地址 192.168.1.1 关联的 MAC 地址。

但由于计算机刚刚启动，尚未学习任何 ARP 条目，因此其 ARP 表完全为空。

计算机检查其ARP表

步骤 2d：向网络发送 ARP 请求

现在，计算机必须向网络中的其他设备构建一个 ARP 请求。该请求将被发送到目标 MAC 地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，即广播地址。结果是，局域网上的所有其他计算机和设备都将收到该请求并读取其内容。

计算机发送 ARP 查询

家用路由器收到ARP请求并读取消息，因为该请求发送到了广播MAC地址FF:FF:FF:FF:FF:FF。

家用路由器可以从消息中看到计算机正在请求 IP 地址为 192.168.1.1 的设备。由于路由器配置为使用该 IP 地址，因此家用路由器将通过构建 ARP 应答并将其发送回计算机来响应此消息。

步骤 2e：来自路由器的 ARP 回复

当计算机收到 ARP 回复时，操作系统会读取该回复。它会将回复添加到 ARP 表中，以便在几分钟内记住与 192.168.1.1 关联的 MAC 地址。

路由器对计算机的 ARP 回复

现在计算机终于收集到了发送 DNS 消息所需的所有信息。

步骤 2f：发送 DNS 查询

现在，计算机将向 DNS 服务器发送 DNS 查询，该服务器作为一项服务运行在家庭路由器 192.168.1.1 上。

家用路由器收到查询后，发现这是一个针对路由器自身 IP 地址和 MAC 地址的 DNS 查询，并意识到它必须处理这个 DNS 查询并发送一个答案。

PC 发送 DNS 查询

步骤 2g：家用路由器检查其 DNS 缓存

家用路由器本身就是一个DNS服务器，但它也依赖于互联网上的其他DNS服务器。家用路由器不可能知道互联网上每一个DNS地址。因此，它会根据需要向负责不同域名（例如example.com）的DNS服务器发出请求。

家用路由器也像电脑一样配备了DNS缓存。每次家用路由器处理来自电脑的DNS查询时，它都会将DNS回复保存在自身的DNS缓存中一段时间。这样做是为了避免重复处理相同的DNS查询，从而加快响应速度。

家用路由器会检查其 DNS 缓存

在这种情况下，家用路由器很久没有收到关于www.iis.se 的查询，因此路由器的 DNS 缓存中不存在该域名。所以，路由器必须向其配置的互联网 DNS 服务器请求解析此 DNS 查询。

步骤 2h：家用路由器准备并发送其 DNS 查询

现在，路由器准备向其 DNS 服务器发送 DNS 查询。路由器在首次启动并从互联网服务提供商 (ISP) 获取公网 IP 地址时，通过 DHCP 从 ISP 获知了可用的 DNS 服务器。

因此，家用路由器会准备一个DNS查询，方法是将查询信息封装在一个UDP消息中，目标端口为53/UDP，源端口为随机UDP端口。然后，它会将该消息封装到一个IP数据包中。该IP数据包会从家用路由器的公网IP地址发送到DNS服务器地址。

家用路由器发送 DNS 查询

当家用路由器准备好数据包并准备发送时，它会查看路由表以确定发送路径。路由表显示，到达内部局域网 192.168.1.0 的最佳路径是通过 LAN 端口，但此数据包需要发送到互联网上的另一个 IP 网络。因此，家用路由器选择 WAN 端口作为最佳目标地址。

在此阶段，家用路由器可能需要执行 ARP 请求来查找下一跳路由器 115.20.97.113 的 MAC 地址，但我们假设家用路由器已经在其 ARP 缓存中获得了此信息。

步骤 2i：DNS 查询通过互联网进行路由

这里的一些步骤已经过简化和缩短。

互联网上每个接收到 DNS 请求的路由器都会执行以下操作：

  • 收到包裹
  • 查看目标 IP 地址，以确定数据包的去向。
  • 它会查看路由表，以确定数据包的最佳路径。
  • 从数据包中移除旧的MAC 地址并添加新的 MAC 地址。它会使用自身出接口上的 MAC 地址作为流量的源 MAC 地址，并将下一跳路由器的 MAC 地址作为目标 MAC 地址。
  • 将数据包发送到下一跳路由器

来自家庭路由器的DNS查询通过互联网进行路由。

步骤 2j：DNS 服务器响应

最终，数据包到达 DNS 服务器，DNS 服务器将处理该数据包并准备响应。

就像普通电脑一样，服务器也有IP地址、子网掩码和默认网关。因此，它的工作方式与普通电脑非常相似。

DNS服务器向家庭路由器做出响应

步骤 2k：家用路由器可以向计算机发送 DNS 应答。

现在，在收到来自 DNS 服务器的 DNS 回复后，家用路由器终于可以创建 DNS 回复并将其发送到计算机，以便让计算机知道www.iis.se的 IP 地址。

家用路由器向计算机发送 DNS 应答

步骤 3：计算机建立与 www.iis.se 的会话

在这个阶段，很多事情同时发生。

计算机主要会启动一个名为“TCP 三次握手”的过程，这是 TCP 通信的建立阶段，包含计算机和服务器之间的三条消息。在使用 TCP 时（例如网页浏览），TCP 会尽力确保一切运行正常，包括通过握手建立会话。这样做是为了让服务器做好接收会话的准备，并确定通信应使用的端口。

TCP 三次握手由三条消息组成：

  • 第一个消息由计算机发送，名为“SYN”，代表同步（Synchronise）。它告知对方我们希望同步 TCP 会话的设置。该消息还包含计算机随机选择的 TCP 源端口。
  • 第二条消息是服务器的回复，称为“SYN-ACK”，即同步确认（Synchronise Acknowledgement）的缩写。这表示服务器确认已收到该消息，并已准备好建立通信会话。
  • 第三条消息由计算机发送，通过发送“ACK”（确认）来结束会话。这意味着一切准备就绪。

计算机的ARP缓存中已经存储了家庭路由器IP地址的正确ARP信息。因此，计算机可以通过家庭路由器向互联网发送任何数据包，而无需事先进行ARP查找。

但这也是本例中计算机首次尝试直接与路由器之外的物体通信。TCP 三次握手将在计算机和互联网上的 Web 服务器之间直接进行。

在之前的DNS查找过程中，计算机只是与家用路由器通信。家用路由器再与互联网上的DNS服务器通信。但计算机与互联网上的任何IP地址之间并没有直接通信。

区别在于，现在计算机想要直接与互联网上的某些内容通信，那么家用路由器就必须对流量执行地址转换。

步骤 3a：计算机发送 TCP SYN 消息

接下来，我们将仔细研究计算机通过初始化 TCP 三次握手来建立 TCP 会话时发生的情况。

为此，计算机操作系统会随机生成一个用于通信的 TCP 源端口。然后，它会组装 TCP SYN 消息并将其发送到 Web 服务器。该 TCP 消息不包含任何其他数据，它只是一个空的 TCP 消息。

当 TCP SYN 消息通过路由器时，路由器会对该消息执行 NAT 转换。路由器还会将执行的 NAT 转换信息保存在其 NAT 表中，以便跟踪会话并对任何回复执行反向 NAT 转换。

计算机向Web服务器发送TCP SYN消息

图片显示的是从计算机到Web服务器的TCP SYN数据包。

  • “我想与您同步一个 TCP 会话”

步骤 3b：Web 服务器回复 TCP SYN-ACK 包

这里可以看到 Web 服务器返回给计算机的 TCP SYN-ACK 响应：

  • “好的，我可以安排会话了，我确认已收到您的消息。”

计算机向 Web 服务器发送 TCP SYN-ACK 消息

该数据包与路由器上的 NAT 表条目匹配，以便路由器能够看到应该将数据包转发到哪个 LAN 计算机以及如何对数据包执行 NAT。

步骤 3c：计算机发送 TCP 确认信号

最后，计算机向Web服务器发送TCP ACK确认包。

  • “那么我确认，从现在开始，我们正式成立一个会议！”

计算机向Web服务器发送TCP ACK

只要计算机和服务器持续通信，它们就会一直使用同一个会话进行通信。这包括使用相同的TCP端口，这样沿途的所有设备都能跟踪会话、地址转换等信息。

会话可能只持续足够长的时间以下载网页，或者网络服务器和计算机可以选择保持会话更长时间，以防用户想要继续浏览网页。

步骤 4：网页浏览器与 Web 服务器通信

一旦操作系统建立了 TCP 会话，操作系统就会通知 Web 浏览器现在可以开始与 Web 服务器通信了。

网络浏览器会使用HTTP协议来实现这一点，HTTP协议是互联网上传输网页的标准协议。

计算机和Web服务器之间建立HTTP会话

这也意味着我们已经完成了示例，其中包括建立通信的大部分步骤。从现在开始，计算机和服务器可以相互通信以传输网页，直到传输完成。然后，它们可以选择发送所谓的 TCP RESET 消息来结束会话，该消息会通知所有设备会话已结束。

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