图解数据在网络中的传输过程
数据在网络中的传输过程
在计算机网络当中,数据是怎么样保证准确的从客户端发送到服务器端的,这是本文探究的重点。
下图是本文中使用的网络拓扑图,数据从客户端发送给服务器端。
客户端各层对数据的封装
java实现客户端的代码如下:
Socket socket = new Socket("192.168.3.6", 8899);try (BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
) {printWriter.println("hello"); // 发送数据String line; // 读取数据while (null != (line = bufferedReader.readLine())) {System.out.println("receive message from server: " + line);}
}
应用层会指定发送的服务器的域名(或者IP)和端口号、以及要发送数据的内容,传递给下一层传输层。
传输层会在把应用层的报文当成自己的数据,然后在前面拼接源端口号,和目标端口号,其中源端口号就是客户端进程监听的端口号,这个端口号一般不是固定的,由操作系统在49152~65535范围内动态分配,而目标端口号就是服务器接收数据的端口号,一般是固定的,在java代码中会指明。
网络层会在传输层报文的基础上增加源IP和目标IP,其中源IP就是本地网卡的IP地址,目标IP是服务器的IP,如果java代码中指定的是服务器的域名,那么首先需要通过DNS服务器将域名解析为IP,域名解析的流程:先查浏览器缓存->操作系统缓存->hosts文件->DNS服务器。
数据链路层会在网络层的基础上增加源MAC地址和目标MAC地址,其中源MAC地址就是本机网卡的MAC地址,目标MAC地址是下一跳
网络设备(一般是交换机或路由器)的MAC地址,注意目标MAC地址一般不是服务器的MAC地址(如果客户端和服务器端在同一个网段,那么目标MAC地址就是服务器的MAC地址),因为客户端根本就无法得知服务器的MAC地址,所以数据链路层采用下一跳的机制转递数据,那么怎么知道我的下一跳是谁呢?下面就要请出ARP协议了,ARP会发出一个广播,告诉全世界,大家好,我的IP地址是192.168.1.6
,我的MAC地址是00-50-56-C0-88-01
,当同一个网段上的主机接收到ARP报文时,会将这些信息添加自己的ARP缓冲区中的ARP列表,同时将自己的IP地址和MAC地址回应给发送者,这样每个位于同一个网段的主机都有整个网段内各个主机的IP与MAC地址的对应关系了。
ARP列表的具体内容如下:
# arp -a
? (192.168.1.1) at 00-60-47-D4-41-A9 [ether] on eth0
? (192.168.1.7) at F8-30-F9-C1-7E-09 [ether] on eth0
? (192.168.1.100) at 00-30-F2-C1-2E-89 [ether] on eth0
... ...
现在我的目标IP是192.168.3.6
,又不在这个ARP列表中,那我怎么知道目标MAC地址要填啥呢?填下一跳的MAC地址,那么下一跳是又是谁呢?这里就要请出路由表了。
# route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
192.168.1.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0
0.0.0.0 192.168.1.100 0.0.0.0 UG 1024 0 0 eth0
这个路由表是计算机的路由表,而不是路由器的路由表,这个路由表怎么来的呢?根据/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
这个文件生成的。
# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
TYPE=Ethernet
BOOTPROTO=none
DEFROUTE=yes
NAME=eth0
UUID=ff200252-6eac-448d-b904-a6d1a1a7da3c
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.1.0
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.1.100
DNS1=8.8.8.8
HWADDR=00-50-56-C0-88-01
那么这个路由表怎么使用呢?将目标IP与每一条记录的子网掩码(Genmask)一一按位与运算,匹配度最高的Destination字段的IP就是下一跳的IP192.168.1.100
,也就是网关地址GATEWAY,然后根据下一跳的IP去查ARP列表获得MAC地址00-30-F2-C1-2E-89
。
就这样客户端完成了对报文的组装,交给物理层把数据从网卡发送出去,发送到交换机A。
交换机的交换
交换机收到客户端的报文后,会进行解析,只解析到数据链路层,从中获得目标MAC地址,然后查找ARP列表,将报文转发给对应的网卡端口。
交换机中的ARP列表:
Switch#show ip arp
Protocol Address Age (min) Hardware Addr Type Interface
Internet 192.168.1.1 - 0060.47D4.41A9 ARPA Vlan1
Internet 192.168.1.6 0 0050.56C0.8801 ARPA Vlan1
Internet 192.168.1.7 0 F830.F9C1.7E09 ARPA Vlan1
Internet 192.168.1.100 0 0030.F2C1.2E89 ARPA Vlan1Switch#show mac-address-tableMac Address Table
-------------------------------------------Vlan Mac Address Type Ports
---- ----------- -------- -----1 0030.f2c1.2e89 DYNAMIC Fa2/11 0050.56c0.8801 DYNAMIC Fa0/11 f830.f9c1.7e09 DYNAMIC Fa1/1
根据目标MAC地址00-30-F2-C1-2E-89
找到交换机的端口为Fa2/1
,这样交换机就会把报文从这个端口发送出去,发送到路由器,这里的端口是交换机的物理端口,也就是插入网线的插口。
路由器的路由
路由器可以连接两个不同的网络。
路由器有一张路由表,路由表可以通过网络工程师配置或者从其他路由器学习得到。
Router(config)#do show ip route
Codes: C - connected, S - static, I - IGRP, R - RIP, M - mobile, B - BGPD - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter areaN1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2, E - EGPi - IS-IS, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2, ia - IS-IS inter area* - candidate default, U - per-user static route, o - ODRP - periodic downloaded static routeGateway of last resort is not setC 192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C 192.168.3.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1
路由器会解析报文到网络层,然后发现目的IP是192.168.3.6
,从上面的路由表可以可以发现,想要去192.168.3.0
网段,只需要将数据从FastEthernet0/1
端口发送出去即可。
另外路由器会将目标MAC地址替换成下一跳的MAC地址(在这里是服务器的MAC地址,如果中间还有其他路由器,那么就是下一个路由器的MAC地址),怎么替换呢,还是查ARP表:
Router#show ip arp
Protocol Address Age (min) Hardware Addr Type Interface
Internet 192.168.1.1 9 0060.47D4.41A9 ARPA FastEthernet0/0
Internet 192.168.1.6 11 0050.56C0.8801 ARPA FastEthernet0/0
Internet 192.168.1.7 0 F830.F9C1.7E09 ARPA FastEthernet0/0
Internet 192.168.1.100 - 0030.F2C1.2E89 ARPA FastEthernet0/0
Internet 192.168.3.1 11 000D.BD42.926B ARPA FastEthernet0/1
Internet 192.168.3.6 11 0030.A396.5DE7 ARPA FastEthernet0/1
Internet 192.168.3.7 6 00D0.974C.0741 ARPA FastEthernet0/1
Internet 192.168.3.100 - 00E0.B043.9302 ARPA FastEthernet0/1
查询IP192.168.3.6
的MAC地址为0030.A396.5DE7
然后将目标MAC替换成这个,然后将数据从FastEthernet0/1
端口发送出去,交给交换机B,交换机B再将数据转发到服务器端。
服务器端各层对数据的解析
服务器端收到数据后会逐层进行解析,最后将真正的数据交应用程序进行处理,至此一个数据从客户端到服务器端就完成了,服务器端会发送响应报文给客户端,大体的流程类似,但是数据不一定是原路返回的,因为中间经过的路由可能不同。
扩展
查看域名对应的IP:
> nslookup www.baidu.com 114.114.114.114
服务器: public1.114dns.com
Address: 114.114.114.114非权威应答:
名称: www.a.shifen.com
Addresses: 183.232.231.174183.232.231.172
Aliases: www.baidu.com
查看本机到服务器中间经过了多少个路由节点:
C:\>tracert 192.168.3.6Tracing route to 192.168.3.6 over a maximum of 30 hops: 1 0 ms 0 ms 0 ms 192.168.1.1002 0 ms 0 ms 1 ms 192.168.3.6Trace complete.
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