Packet Traveling—How Packets Move Through a Network

原视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=rYodcvhh7b8

概念

Packet：

包，是TCP/IP协议通信传输中的数据单位，一般称为“数据包”

TCP/IP协议：

是工作在OSI模型第三层(网络层)、第四层(传输层)上的，帧工作在第二层(数据链路层)。上一层的内容由下一层的内容来传输，所以在局域网中，“包”是包含在“帧”里的。

hosts：

网络主机，是连接到一个计算机网络中的一台计算机或其他设备

switches：

交换机，是一种多端口的网桥，在数据链路层使用MAC地址转发数据。通过引入路由功能，一些交换机也可以在网络层转发数据，这种交换机一般称为三层交换机或多层交换机。

MAC地址：

Media Access Control Address，称为局域网地址、以太网地址或物理地址，是用来确认网络设备位置的地址。
- 补充：在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链接层则负责MAC地址。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

routers：

路由器，是互联网的枢纽，是连接英特网中各局域网、广域网的设备；它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送数据。作用在OSI模型的第三层（网络层），提供了路由与转发两种重要机制
- 路由：收集网络拓扑信息并动态形成路由表；路由器控制层面的工作，决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径
- 转发：根据转发表（FIB）转发IP数据包路由器数据层面的工作，将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端（在路由器内部进行）

APR表：

记录着主机的IP地址(网络地址)到MAC地址(物理地址)的映射关系

MAC Address表：

记录交换机端口到MAC地址的映射关系

Routing表：

记录IP 网络到接口的映射关系

过程

preparation：

说明：

IP networks：11.11.11.0/24 22.22.22.0/24
IP address: 11.11.11.10 11.11.11.20 22.22.22.30 22.22.22.40 11.11.11.1 22.22.22.1
MAC address: aaaa.aaaa.aaaa bbbb.bbbb.bbbb cccc.cccc.cccc dddd.dddd.dddd ee01.ee01.ee01 ee02.ee02.ee02
路由器的Routing表中记录了IP网络与路由器接口的映射关系

step 1:Host A has Data for Host D

说明：

Host A想要发送数据给Host D。Host A将数据封装成IP数据报，IP包头中有源IP地址（11.11.11.10）和目的IP地址（22.22.22.40）
在局域网中，当主机或其他网络设备有数据要发送给另一个主机或设备时，它必须知道对方的网络层地址（即IP地址）。但是仅仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过物理网络发送。因此发送方还需要有接收方的物理地址。
Host A查看自己的ARP表，发现没有Host D的MAC地址，于是需要发送ARP请求报文去获取默认网关的MAC地址，为了将数据发送给路由器

step 2：Host A sends an ARP Request for 11.11.11.1

说明：

Host A发送ARP请求报文，报文内容大概可以理解为：IP地址为11.11.11.1的MAC地址是什么？
ARP请求报文中的源IP地址和源MAC地址分别为Host A的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址为11.11.11.1的IP地址和全0的MAC地址。
ARP报文格式如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-48HTp0BB-1649313659719)(.\images\ARP.png)]

step 3：Switch X Receives Frame

说明：

Frame：帧
Switch X接收帧，并将端口号与Host A的MAC地址写入到它的MAC表中。
ARP请求报文以广播的形式发送，所以该网段上的所有主机都会接收到这个请求包，除了接收端口2上的主机

step 4：Host B discards frame

说明：

Host B比对传过来的ARP请求报文当中的目的ip地址与自己的ip地址，发现对不上，于是丢弃该报文

step 5：Router receives ARP requests

说明：

路由器接收到ARP请求报文后，对比传过来的目的IP地址与自己的IP地址，发现对上了，于是收下这个报文
路由器将报文中的Host A发送方的IP地址和MAC地址写入到自己的ARP表中。

step 6：Router generates ARP Response

说明：

路由器生成一个ARP响应请求报文，因为已经知道目的MAC地址（即Host A的地址）和目的IP地址（即Host A的IP地址），于是可以通过单播的方式发送出去

step 7:Switch X Receives Frame

说明：

Switch X接收ARP响应报文，将报文中的MAC地址和对应的Switch端口写入到自己的MAC地址表中
然后查阅MAC地址表，发现目的MAC地址对应的是端口2，于是从端口2将响应报文转发出去

step 8:Host A receives ARP Response

说明：

Host A接收到响应报文后，将响应报文中的源IP地址（11.11.11.1）和源MAC地址（ee01.ee01.ee01）写入到自己的ARP表中

step 9:Host A creates L2 header and sends Packet

说明：

Host A将IP数据报封装成帧，帧头中记录着源MAC地址和目的MAC地址，分别为Host A的MAC地址(aaaa.aaaa.aaaa)和路由器的MAC地址（ee01.ee01.ee01)

step 10:Switch X receives frame

说明：

Switch X接收帧，查阅自己的MAC表，发现已经有端口和MAC的映射关系，所以不再添加。然后查阅MAC表，发现目的MAC地址对应的是端口3，于是从端口3将帧转发

step 11:Router receives Packet and strips L2 header

说明：

路由器接收到帧，并丢弃帧头，取出其中的IP数据报部分。
帧头的作用就是能将IP数据报从Host A传送到路由器

step 12:Router consults Routing Table

说明：

路由器查阅Routing表，发现目的IP地址需要从eth2端口发出
路由器查询自己的ARP表，发现没有目的IP与目的MAC地址映射关系，于是路由器需要利用ARP知道目的MAC地址

step 13:Router sends an ARP Request for 22.22.22.40

说明：

路由器发送一个ARP请求，询问IP地址为22.22.22.40的Host的MAC地址

step 14:Switch Y receives frame

说明：

Switch Y会接收到这个ARP请求报文，将ARP请求报文中的源MAC地址和对应端口号写入到自己的MAC地址表中
Switch Y查阅自己的MAC地址表，发现没有目的MAC地址的映射关系，于是采用广播的形式从非接收端口（非端口4）发送ARP请求报文

step 15:Host C discards frame

说明：

Host C接收到ARP请求报文之后，对比报文中的目的IP地址，发现与自己的IP地址不同，于是丢弃该ARP报文。

step 16:Host D receives ARP request

说明：

Host D接收到ARP请求报文，发现报文中的目的IP地址与自己的目的IP地址相同，于是收下这个ARP报文。
将报文中的源MAC地址（ee02.ee02.ee02）和源IP地址（22.22.22.1）写入到自己的ARP表中。

step 17:Host D generates ARP Response

说明：

Host D生成ARP响应报文，因为知道路由器的MAC地址，所以可以直接发送出去

step 18:Switch Y receives frame

说明：

Switch Y接收到ARP响应报文，将报文中的源MAC地址（dddd.dddd.dddd）与对应端口（5）写入到自己的MAC地址表中。
Switch Y查阅MAC地址表，发现有目的MAC地址（ee02.ee02.ee02）的映射关系，所以Switch Y将从端口4将ARP响应报文发送出去

step 19:Router receives ARP Response

说明：

路由器收到ARP 响应报文之后，可以从报文中得知Host D的IP地址和MAC地址，于是将该IP地址（22.22.22.40）和MAC地址（dddd.dddd.dddd）写入到自己的ARP表中。

step 20:Router creates L2 header and sends Packet

说明：

路由器将原先从Host A那里收到的IP数据报封装成帧，帧头中记录着源MAC地址和目的MAC地址，分别为路由器的MAC地址(ee02.ee02.ee02)和Host D的MAC地址（dddd.dddd.dddd)

step 21:Switch Y receives frame

说明：

Switch Y会接收到帧，然后发现自己的MAC地址表中已经有了端口4和源MAC地址（ee02.ee02.ee02）的映射，于是不再添加；
Switch Y接着查阅MAC地址表，发现目的MAC地址（dddd.dddd.dddd）对应端口5，于是将帧从端口5转发出去

step 22:Host D receives Packet

说明：

Host D接收到帧之后，首先丢弃帧头，再丢弃IP包头，最后取到Host A想要发送给Host D的数据。

至此，step 1- step 22 完成Host A将数据发送给Host D的全部过程。

step 23:Host D responds with Data for Host A

说明：

Host D想给Host A发送回复数据
Host D从Host A发送的帧中得知了Host A的IP地址，从自己的ARP表中得知了默认网关MAC地址
Host D将数据封装成IP数据报，IP包头有源IP地址（22.22.22.40）和目的IP地址（11.11.11.10）

step 24:Host D creates L2 header and sends Packet

说明：

Host D将IP数据报封装成帧，帧头有源MAC地址（dddd.dddd.dddd）和目的MAC地址（ee02.ee02.ee02），将帧发送给路由器

step 25:Switch Y receives frame

说明：

Switch Y接收到帧，发现帧中的源MAC地址和端口号已经有对应映射关系，所以不再添加
Switch Y查阅MAC地址表，找到目的MAC地址和端口的映射关系，于是从端口4将帧发送出去

step 26:Router receives Packet and strips L2 header

说明：

路由器接收到帧后，丢弃帧头，取出其中的IP数据报部分

step 27:Router consults Routing Table

说明：

路由器查询Routing表，发现IP地址对应的IP网络应该从接口eth1发送，同时路由器查询ARP表，发现已经有目的IP地址的目的MAC地址（aaaa.aaaa.aaaa）

step 28:Router creates L2 header and sends Packet

说明：

路由器将IP数据报封装成帧，帧头有源MAC地址（ee01.ee01.ee01）和目的MAC地址（aaaa.aaaa.aaaa），将帧发送出去

step 29:Switch X receives frame

说明：

Switch X接收到帧，发现帧中的源MAC地址（ee01.ee01.ee01）和端口号（3）已经有对应的映射关系，于是不再添加
Switch X查阅MAC地址表，发现目的MAC地址对应端口2，于是将帧从端口2转发出去

step 30:Host A receives Packet

说明：

Host A接收到帧，去除帧头和IP包头，获取到从Host D想要发送给Host A的回复数据。

至此，step 23- step30完成Host D发送回复数据给Host A的全过程。

总结

主机A想给主机D发送数据，必须知道主机D的MAC地址；
如果主机A的ARP表中没有主机D的MAC地址，那么主机A需要获取默认网关的MAC地址，然后通过路由器来获取主机D的MAC地址；
如果主机A的ARP表中没有默认网关的MAC地址，需要通过ARP来获取MAC地址
主机A获取到默认网关的MAC地址之后，将数据封装成帧发送给路由器
如果路由器的ARP表中没有主机D的MAC地址，路由器需要通过ARP来获取主机D 的MAC地址
路由器获取到主机D的MAC地址之后，将数据重新封装成帧发送给主机D
主机D发送回复数据给主机A，因为所有MAC地址已知，所以不用采用ARP，而是直接发送。

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如何将数据从一台主机发送到另一台主机上（详解）

Packet Traveling—How Packets Move Through a Network

概念

Packet：

TCP/IP协议：

hosts：

switches：

MAC地址：

routers：

APR表：

MAC Address表：

Routing表：

过程

preparation：

说明：

step 1:Host A has Data for Host D

说明：

step 2：Host A sends an ARP Request for 11.11.11.1

说明：

step 3：Switch X Receives Frame

说明：

step 4：Host B discards frame

说明：

step 5：Router receives ARP requests

说明：

step 6：Router generates ARP Response

说明：

step 7:Switch X Receives Frame

说明：

step 8:Host A receives ARP Response

说明：

step 9:Host A creates L2 header and sends Packet

说明：

step 10:Switch X receives frame

说明：

step 11:Router receives Packet and strips L2 header

说明：

step 12:Router consults Routing Table

说明：

step 13:Router sends an ARP Request for 22.22.22.40

说明：

step 14:Switch Y receives frame

说明：

step 15:Host C discards frame

说明：

step 16:Host D receives ARP request

说明：

step 17:Host D generates ARP Response

说明：

step 18:Switch Y receives frame

说明：

step 19:Router receives ARP Response

说明：

step 20:Router creates L2 header and sends Packet

说明：

step 21:Switch Y receives frame

说明：

step 22:Host D receives Packet

说明：

step 23:Host D responds with Data for Host A

说明：

step 24:Host D creates L2 header and sends Packet

说明：

step 25:Switch Y receives frame

说明：

step 26:Router receives Packet and strips L2 header

说明：

step 27:Router consults Routing Table

说明：

step 28:Router creates L2 header and sends Packet

说明：

step 29:Switch X receives frame

说明：

step 30:Host A receives Packet

说明：

总结

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