前言

面試時回答計算機網(wǎng)絡(luò)這塊的問題，很對應(yīng)試者回答的內(nèi)容多為講解計算機網(wǎng)絡(luò)的 TCP 三次握手、四次揮手，或者是 OSI 七層模型的細(xì)節(jié)闡釋。

當(dāng)被問到數(shù)據(jù)包如何在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸?shù)?，比?IP 路由、ARP 尋址、交換機與路由器的區(qū)別、私有 IP 與全局 IP 的轉(zhuǎn)換等細(xì)節(jié)，只能沉默以對。

本文將會梳理清楚數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中由一臺主機發(fā)往另一臺主機的詳細(xì)過程，內(nèi)容包括調(diào)制解調(diào)器、中繼器、網(wǎng)卡、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及 IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù) DNS、ARP、DHCP、NAT、ICMP等。

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設(shè)備

搭建一套網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要涉及各種各樣的電纜和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，既然要搞清楚數(shù)據(jù)的傳輸，那就先搞清楚數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椤?/p>

如圖所示，主機A向主機B發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要經(jīng)過交換機、路由器等設(shè)備。但在物理層(OSI 模型的第 1 層)，還需要調(diào)制解調(diào)器和中繼器。

1. 調(diào)制解調(diào)器

現(xiàn)代家庭網(wǎng)絡(luò)搭建寬帶時，可以看到路由器后接的調(diào)制解調(diào)器(英語：Modem)，我們一般親切稱之為“貓”。

調(diào)制解調(diào)器是將計算機產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號進行傳輸，并解調(diào)收到的模擬信號以得到數(shù)字信號的電子設(shè)備。

以前用電話線上網(wǎng)用的是電話調(diào)制解調(diào)器，現(xiàn)在都是光纖上網(wǎng)，用的是光纖調(diào)制解調(diào)器，即用于數(shù)字信號與光纖信號的轉(zhuǎn)換。

2. 中繼器

同調(diào)制解調(diào)器一樣工作在物理層的還有中繼器，它的作用是將電纜傳過來的電信號或光信號經(jīng)由中繼器的波形調(diào)整和放大再傳給另一個電纜，簡而言之，中繼器是對減弱的信號進行放大和發(fā)送的設(shè)備。

3. 網(wǎng)卡

一臺計算機要想上網(wǎng)必備的就是網(wǎng)卡，而現(xiàn)在大多數(shù)計算機也早已內(nèi)置了網(wǎng)卡。

網(wǎng)卡，又稱為網(wǎng)絡(luò)適配器、LAN 卡，是一塊被設(shè)計用來允許計算機在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行通訊的計算機硬件。由于其擁有 MAC 地址，因此屬于 OSI 模型的第 2 層(數(shù)據(jù)鏈路層)。

我們所講的計算機的 MAC 地址或主機的 MAC 地址，實際上是網(wǎng)卡的 MAC 地址。

如下圖所示，Mac 電腦可以在「系統(tǒng)偏好設(shè)置 - 網(wǎng)絡(luò) - Wi-Fi - 高級 - 硬件」查看當(dāng)前計算機的 MAC 地址。

4. 交換機

換機是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過報文交換方式接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目標(biāo)設(shè)備。

簡而言之，交換機就是接收數(shù)據(jù)包、查看數(shù)據(jù)包的目的地址以選擇路由、將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由。

需要明確，交換機不修改數(shù)據(jù)包，只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

交換機又被稱為網(wǎng)橋或者 2 層交換機，所謂 2 層，就是工作于數(shù)據(jù)鏈路層。這代表著，交換機在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，不知道也無需要知道來源主機和目的主機的 IP 地址，只需知其 MAC 地址。

交換機的工作原理：

交換機內(nèi)部的 CPU 會在每個端口成功連接時，通過將 MAC 地址和端口對應(yīng)，形成一張 MAC 表。

當(dāng)一臺交換機安裝配置好之后，其工作過程如下：

• 交換機端口 1 收到 MAC 地址為 X 的計算機發(fā)給 MAC 地址為 Y 的計算機的數(shù)據(jù)包，交換機從而記下了 MAC 地址 X 在端口 1 。(學(xué)習(xí))
• 如果目的地 MAC 地址 Y 不能在 MAC 表中找到時，交換機會把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給除端口 1 外的所有數(shù)據(jù)包。(洪泛)
• MAC 地址 Y 的計算機收到該數(shù)據(jù)包，向 MAC 地址 X 發(fā)出確認(rèn)包。交換機收到該包后，從而記錄下 MAC 地址 Y 所在的網(wǎng)段。
• 交換機向 MAC 地址 X 轉(zhuǎn)發(fā)確認(rèn)包。(轉(zhuǎn)發(fā))
• 交換機收到一個數(shù)據(jù)包，查表后發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)包的來源地址與目的地址屬于同一個端口，交換機將不處理該數(shù)據(jù)包。(過濾)
• 交換機內(nèi)部的 MAC 地址-端口 查詢表的每條記錄采用時間戳記錄最后一次訪問的時間。早于某個閾值(用戶可配置)的記錄被清除。(老化)

5. 路由器

路由器可以連接不同的數(shù)據(jù)鏈路。例如連接兩個以太網(wǎng)。現(xiàn)在，人們在家或辦公室里連接互聯(lián)網(wǎng)時所使用的寬帶路由器也是路由器的一種。

路由器是在 OSI 模型的第 3 層即網(wǎng)絡(luò)層面上連接兩個網(wǎng)絡(luò)、并對分組報文進行轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。

交換機是根據(jù)物理地址(MAC地址)進行處理，參考的是 MAC 表，而路由器則是根據(jù) IP 地址進行處理，所參考的表叫做路由控制表。

路由控制表：

發(fā)送數(shù)據(jù)包時所使用的地址是網(wǎng)絡(luò)層的 IP 地址。然而僅僅有 IP 地址還不足以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到對端目標(biāo)地址，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中還需要類似“指明下一個路由器或主機”的這方面信息，以便真正發(fā)往目標(biāo)地址。保存這種信息的就是路由控制表。

實現(xiàn) IP 通信的主機和路由器都必須持有一張這樣的表。它們也正是在這個表格的基礎(chǔ)上才得以進行數(shù)據(jù)包發(fā)送的。

該路由控制表的形成方式有兩種：一種是管理員手動設(shè)置，另一種是路由器與其它路由器相互交換信息時自動刷新。前者也叫靜態(tài)路由控制，而后者叫做動態(tài)路由控制。

為了讓動態(tài)路由及時刷新路由表，在網(wǎng)絡(luò)上互連的路由器之間必須設(shè)置好路由協(xié)議，保證正常讀取路由控制信息。

路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址。在發(fā)送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標(biāo)地址，再從路由控制表中找到該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，根據(jù)該記錄將 IP 包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。

如果路由控制表中存在多條相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，就選擇一個最為吻合的網(wǎng)絡(luò)地址。所謂最為吻合是指相同位數(shù)最多的意思。

例如 172.20.100.52 的網(wǎng)絡(luò)地址與 172.20/16 和 172.20.100/24 兩項都匹配。此時，應(yīng)該選擇匹配度最長的 172.20.100/24 。

默認(rèn)路由是指路由表中任何一個地址都能與之匹配的記錄。默認(rèn)路由一般標(biāo)記為 0.0.0.0/0 或 default。這里的 0.0.0.0/0 并不是指 IP 地址是 0.0.0.0，為了避免人們誤以為 0.0.0.0 是IP地址，故后綴是 /0 。