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网络前三层（物理，数据链路层，网络）数据包传输过程

2023-10-28

起始

起始：我就是一台电脑A

在这里插入图片描述

有一天，突然另一台电脑B想和我进行通话·，于是我们各自开了个网口，用一根网线连接起来，这样就可以进行通信了，至于为什么可以，还要研究io，中断…,反正现在可以进行通信了

在这里插入图片描述

第一层：物理层（hub）

有一天又来了一位C，每个人开两个端口就可以通信了

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随着越来越多的人加入，网口开的太多了，太乱，理论可行，实际不可行。

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于是，发明了一个中间设备，将网线都插在这个设备上，由这个设备进行转发，和原来本质上是一样的

这个设备取名集线器，仅仅是将信号转发到所有的出口（广播转发），不用做任何处理，作用就这一点，所以放在了物理层。

在这里插入图片描述

那么BCDE怎么知道A是想发给谁的呢？

这就引入了MAC地址（公民身份证）

  • A：aa-aa-aa-aa-aa-aa
  • B: bb-bb-bb-bb-bb-bb
  • C: cc-cc-cc-cc-cc-cc
  • D: dd-dd-dd-dd-dd-dd
  • E: ee-ee-ee-ee-ee-ee

现在A发数据给B：

在这里插入图片描述

B收到的数据包后，根据MAC地址判断出，这个包确实是给我的，CDE收到后，判断MAC地址和自身MAC不同，于是丢弃数据包

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第二层：数据链路层（交换机）

上述的集线器是广播转发，可不可以单播呢？

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交换机就出现了！！！！！！！比集线器智能一些，所以放在了数据链路层

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  1. 交换机的内部维护者一张MAC地址表，记录每个MAC设备连接在哪个端口上
  2. 现在A想发送数据给B

在这里插入图片描述

数据包到达交换机时，查询MAC地址表，发现要从端口1发送，直接发送数据，结束。通过上述传输方式而组成的网络叫以太网

  1. 最开始的时候，MAC地址表是空的，A给B发送数据，由上图可以看出，A是从端口4发送数据的，所以MAC地址表就记录了这个信息，交换机发现地址表中没有bb-bb-bb-bb-bb-bb这个地址，于是广播发送，B做出响应，所以地址表又记录了一段数据bb-bb-bb-bb-bb-bb端口1

过程如下：

在这里插入图片描述

随着机器数量的增加，交换机的端口也不够用了，这个时候就想到，将多个交换机连接起来就可以了吧

在这里插入图片描述

最终，两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录

  • 左面的交换机

    在这里插入图片描述

  • 右面的交换机

    在这里插入图片描述

但是随着时间的推移，电脑的数量在逐渐增多。

第三层：网络层（路由器）

  1. 问题的根本在于，连出去的那根红色的网线，后面不知道有多少个设备不断地连接进来，从而使得地址表越来越大。那我可不可以让那根红色的网线，接入一个新的设备，这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址，而且同时还能帮我把数据包做一次转发呢？这个设备就是路由器，作为一台独立的拥有 MAC 地址的设备，并且可以帮我把数据包做一次转发，因为它比交换机更智能一些，所以定义在网络层。

在这里插入图片描述

路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址

交换机的 MAC 地址表中，只需要多出一条 MAC 地址 ABAB 与其端口的映射关系，就可以成功把数据包转交给路由器了

  1. 怎么把发送给 C 和 D，甚至是把发送给 DEFGH… 的数据包，统统先发送给路由器呢？

    • 假如电脑 C 和 D 的 MAC 地址拥有共同的前缀，比如分别是FFFF-FFFF-CCCC , FFFF-FFFF-DDD,那么可以将目标mac地址开头为FFFF-FFFF的全部发送给路由器，这样是不可行的，mac地址不好统一

    • 于是有聪明的人发明了新的地址（IP地址），如：

      11000000.10101000.00000000.00000001,即192.168.0.1

  2. 现在每台电脑有了两个地址（MAC，ip）

    在这里插入图片描述

如上图所示，假如我想要发送数据包给 ABCD 其中一台设备，不论哪一台，我都可以这样描述，“将 IP 地址为 192.168.0 开头的全部发送给到路由器。

在这里插入图片描述

假如A发送数据给B，由于他们直接通过交换机相连，所以直接发送，没体现网络层（交换机）的作用

在这里插入图片描述

但是如果给C发送数据，A就需要先转交给路由器，再由路由器转发给C

  1. A——>路由器

在这里插入图片描述

  1. 路由器——>C

    在这里插入图片描述

  2. A给C发送数据，怎么知道要先发给路由器呢？

    ------------------------》子网

  3. 将源 IP 与目的 IP 分别同子网掩码进行与运算，相等则是在一个子网，不相等就是在不同子网

    • A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
      B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
      C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
      D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
      那么 A 与 B 在同一个子网，C 与 D 在同一个子网，但是 A 与 C 就不在同一个子网，与 D 也不在同一个子网，以此类推。

      在这里插入图片描述

      所以如果 A 给 C 发消息，A 和 C 的 IP 地址分别 & A 机器配置的子网掩码，发现不相等，则 A 认为 C 和自己不在同一个子网，于是把包发给路由器

  4. 问题又来了，A怎么知道哪个设备是路由器呢？

    • A上面要设置默认网关，其实说数据发给路由器不够准确，应该是默认网关，对 A 来说，A 只能直接把包发给同处于一个子网下的某个 IP 上，所以发给路由器还是发给某个电脑，对 A 来说也不关心，只要这个设备有个 IP 地址就行。
在这里插入图片描述

  1. 问题继续，路由器是怎么知道C在哪里呢

    • ------------->路由表

    • 经过上述的过程A给C发送数据已经可以发送到路由器上面了，目前问题就是，路由器怎么知道的数据要从哪个端口发送出去呢？

    • 路由器收到的数据包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址，需要转化成从自己的哪个端口出去。这里引入了路由表

      在这里插入图片描述

      路由表就表示，192.168.0.xxx 这个子网下的，都转发到 0 号端口，192.168.1.xxx 这个子网下的，都转发到 1 号端口。

    • 路由器------>C，这里要经过交换机，发送数据需要知道MAC地址（数据链路层），这时又引入了arp（其实一开始就有）

      A不知道 B 的 MAC 地址，只知道它的 IP 地址，该怎么把数据包准确传给 B 呢？

      当A需要向B发送数据时，首先检查B主机的IP地址是否在同一子网上。如果在同一子网上，A会使用ARP协议发送一个ARP请求广播，询问B的MAC地址。B收到广播后，会通过ARP协议回复一个包含自己MAC地址的ARP响应。A接收到响应后，就可以将数据帧封装并发送到A的MAC地址。找到 192.168.0.2 对应的 MAC 地址 BBBB。这种方式就是arp协议，同时电脑 A 和 B 里面也会有一张 arp 缓存表，表中记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。

      在这里插入图片描述

  2. 对A来说：

    • 要知道AD的ip，c的ip
    • 通过子网掩码判断是否在同一子网
    • 在同一子网就通过arp获取对方的mac地址，直接发送出去
    • **不在同一子网，通过arp获取默认网关的mac地址直接发出去

  3. ** 对交换机来说：

    • 收到的数据必须有MAC地址
    • 通过查询MAC地址表，找到发送端口，发送数据，查不到，就通过广播的方式发送

  4. 对路由器来说：

    • 收到的数据必须有目的ip地址
    • 查询路由表，查到了就按照映射关系从指定端口发出去
    • 查不到则返回一个路由不可达的数据包

  5. 三张表：

    • 交换机中的MAC地址映射表（以太网中各节点之间通过交换机通信）
    • 路由器中有路由表，用于映射IP地址和端口（路由算法）
    • A和路由器都有Arp缓存表，表示ip与MAC地址的映射关系（arp请求）

  6. 网络拓扑图在这里插入图片描述

路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了下一条地址这一个概念，所以它的路由表就变成了这个样子。如果匹配到了有下一跳地址的一项，则需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址

在这里插入图片描述

如果 A 给 F 发送一个数据包在这里插入图片描述，能不能通呢？如果通的话整个过程是怎样的？

  1. 首先 A（192.168.0.1）通过子网掩码（255.255.255.0）计算出自己与 F（192.168.2.2）并不在同一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.254）
  2. A 通过 ARP 找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。
  3. A 将源 MAC 地址（AAAA）与网关 MAC 地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）（注意这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址，从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的，只有 MAC 地址在不断变化）封装在网络层头部，然后发包

在这里插入图片描述

  1. 交换机 1 收到数据包后，发现目标 MAC 地址是 ABAB，转发给路由器1
  2. 数据包来到了路由器 1，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是 192.168.100.5
  3. 所以此时路由器 1 需要做两件事，第一件是再次匹配路由表，发现匹配到了端口为 2，于是将其封装到数据链路层，最后把包从 2 号口发出去。
  4. 此时路由器 2 收到了数据包，看到其目的地址是 192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为 1，准备从 1 号口把数据包送出去。
  5. 但此时路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了，于是查看其 arp 缓存，找到其 MAC 地址为 FFFF，将其封装在数据链路层头部，并从 1 号端口把包发出去。
  6. 交换机 3 收到了数据包，发现目的 MAC 地址为 FFFF，查询其 MAC 地址表，发现应该从其 6 号端口出去，于是从 6 号端口把数据包发出去。
  7. F 最终收到了数据包！并且发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个包

转载自https://blog.csdn.net/weixin_40734514/article/details/117201221?ops_request_misc=&request_id=577c6685734e439a92fb3ab37b365e8d&biz_id=&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2blogkoosearch~default-2-117201221-null-null.268v1control&utm_term=%E7%BD%91%E7%BB%9C&spm=1018.2226.3001.4450

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