电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

2020年1月6日08:31:20 评论

我们现在基本上每天都在使用网络,在网络上进行互相通信,但你知道你电脑发送的信息是如何传递到远端电脑上的呢?本篇就讲述一下网络传输原理过程。

首先,我们先得了解一下数据包的封装和解封装过程,这是啥意思呢,比如说你在QQ上发消息“Hello”给你的朋友。这句话想要在网络上进行传输时是需要处理过的,那计算机网络体系结构的通信协议通常划分为七层。自下而上依次为:物理层(Physics Layer)、数据链路层(Data Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)。

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

其中下四层完成数据传送服务,上面三层面向用户。数据要通过网络进行传输,要从高层一层一层的向下传送,如果一个主机要传送数据到别的主机,每层协议都要加上一个相对应的头部,这个过程称为封装。

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

就好比寄信一样,为了把“Hello”这条消息发送到目的地,首先在传输层我们要把这消息打包到数据段里,然后网络层要将你的“写信人地址”和“收信人地址”写到数据段上面,即:将数据的源IP地址和目的IP地址分别打包,这样才知道你的这条信息是要送到哪里的。接下来数据链路层主要负责把IP地址对应到硬件地址(MAC),因为要找到远端相应的计算机是要根据硬件地址来查找的。最后在物理层变成比特流也就是一串0和1,也就是变成了低电压和高电压的信号这样就可以通过网线传送出去了。

数据被封装并通过网络传输后,接收设备将删除添加的信息,并根据报头中的信息决定如何将数据沿协议栈向上传给合适的应用程序。这个过程叫解封装。最终将数据交给QQ应用程序进行处理。这样对方就可以看到你发送给他的“Hello”这条信息咯。

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

明白数据的封装和解封装对理解数据包在网络中的传输相当重要,以下以telnet远程登录的实例讲解数据包封装和解封装以及数据包在网络中的传输过程。

如图,IP设备中,PC1和PC2连接在同一个集线器上,R1和R2通过串行线路相连,集线器则连接在路由器R1上,一台二层交换机连接在R2,在它上面连接着的PC1需要远程登录的服务器(Server),以及另外一台PC3:

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下面是PC1使用Telnet登录服务器的具体步骤:

1)首先,PC1封装数据包,它用本地网络号比较要去往的目的地IP(202.2.2.2),发现此IP不在本地网络(202.1.1.0)当中,PC1知道要发往其他网段的数据先要发给网关路由器R1的fa0/0接口(202.1.1.1),PC1先在本地ARP缓存中查找202.1.1.1的MAC地址,如果找到的话就用它封装,如果没有找到就发送ARP进行查询,再利用查询到的网关MAC(111111111111)进行封装。

2)PC1将数据传至到传输层,然后分段处理,由于Telnet使用的是TCP协议,所以PC1使用本地一个大于1024的任意端口作为源端口,在这里假设是1234,目的端口为23,这两个端口添加到传输层的协议数据单元中;数据在传输层封装好后被传输到网络层,网络层在数据头部添加源IP(202.1.1.2)以及目的IP(202.2.2.2);数据在网络层封装好后,被传输到数据链路层,在局域网中这一层主要是在数据头部添加源MAC(AAAAAAAAAAAA)以及目的MAC(111111111111),然后数据尾部添加一个CRC效验,封装好后如图:

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

现在可能大家觉得很奇怪,为什么目的MAC是网关的MAC而不是Server的MAC呢?由于MAC只是用于局域网内寻址,发往其他网段的数据都要先经过网关,假设封装的MAC是Server的MAC的话,数据被传送到路由器R1后,R1检查MAC地址,发现不是发往本路由的,就会直接丢弃这个数据,那样PC1就不可能和Server通信成功了。

数据链路层封装后的数据帧被传到物理层,转换成二进制形式的比特流,从PC1的网卡发送出去。物理层的用途就是处理比特流,把比特转换成电子、光学或微波信号。反之在接收端,物理层从传输媒体中重新得到这些信号,恢复成比特流,传输比特流到数据链路层。

3)PC1发送的比特流到达集线器,集线器将数据信号放大,并把它从接收端口之外的其他接口进行发出,PC2和R1都会收到这个数据,PC2收到这个数据包,把比特流转换成帧上传到数据链路层,PC2比较数据帧的目的MAC地址,发现与本机网卡的MAC地址不同,PC2将会丢弃数据帧,放弃处理。

4)路由器R1收到该比特流,转换成帧上传到数据链路层,发现目的MAC地址是本机fa0/0接口的MAC地址,它将会解封装该帧,上传到网络层,那么网络层R1看到这个数据包的目的地址是202.2.2.2,并不是发给本路由的,就需要进行转发。R1对本地路由表进行查看,发现需要将这个数据从s0/0接口发出,但是此时R1并不能直接将数据进行发出,原因是数据在被解封装到网络层后还需要进行再封装才能从物理层发出;因为R1和R2之间是串行线路,串行线路与局域网不一样,不是使用MAC通信,串行线路的通信协议可能为PPP或者是HDLC(这里假设是PPP协议),并且在一端发出另一端就一定能收到。所以在数据发出去之前,在R1的数据链路层给这个数据包封装PPP协议头部时,从s0/0发出,此时,数据帧格式如下图:

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数据链路层封装后的数据帧被传到物理层,转换成二进制形式的比特流,从路由器R1的s0/0接口发送出去。

5)路由器R2收到这个比特流,上传至数据链路层处理,数据链路层丢弃了PPP封装,上传至网络层处理;网络层发现了这个数据包的目的地址并非本路由,但是目的连接在本路由的以太网接口上,这个时候如果R2有Server的MAC地址,就直接用Server的MAC地址封装,否则它先发送ARP查询,在收到回应后进行封装,封装后的数据帧从fa0/0发出,源地址是fa0/0接口的MAC地址,目的地址是服务器网卡的MAC地址,如下图:

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

数据链路层封装后的数据帧被传到物理层,转换成二进制形式的比特流,从R2的fa0/0接口发送出去。

6)R2发出的比特流到达交换机,交换机除了对比特流进行放大外,还根据源MAC地址进行学习,根据目的MAC地址进行转发。交换机根据数据帧中的目的MAC地址查询MAC地址表,把比特流从对应的端口发送出去,当交换机的MAC缓存表中存在Server的MAC和对应端口,就直接将比特流发给Server,如果不知道Server的MAC则会发送ARP查询,然后再进行转发;

7)Server收到了该比特流,把比特流转换成帧格式,上传到数据链路层,发现是本机的MAC,Server拆除数据链路层的封装后,然后再上传到网络层,发现目的IP地址是本机的IP,Server拆除网络层的封装后,再把数据分段上传到传输层,发现是访问本机23端口,最后数据被传输到应用层;

8)Server对PC1的应答就刚好相反,它将目的IP、源IP以及目的端口、源端口位置对调,发回的数据帧格式如下:

电脑发送的信息是如何到达目的地的?简单了解下网络传输原理过程

完整的互联网Telnet数据包传输以及封装解封装过程就是这样。从这个过程中可以看出,数据流在中间设备上执行的是OSI模型下三层的操作,物理层设备就是集线器不对帧格式进行改变以及广播式转发;数据链路层设备,即二层交换机,也不改变帧格式,但可根据帧的目的地址进行转发;网络层的设备则会改变帧格式,要进行帧的解封装再封装,但不改变数据包中源和目的IP地址(会改变数据包中的一些字段,比如TTL字段会减1)。

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