这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的第4篇笔记

数据包传输原理

假设网络上要将一个数据包（名为PAC）由北京的一台主机（名称为A，IP地址为IP_A，MAC地址为MAC_A）发送到华盛顿的一台主机（名称为B，IP地址为IP_B，MAC地址为MAC_B）。这两台主机之间不可能是直接连接起来的，因而数据包在传递时必然要经过许多中间节点（如路由器，服务器等等），我们假定在传输过程中要经过C1、C2、C3（其MAC地址分别为M1，M2，M3）三个节点。A在将PAC发出之前，先发送一个ARP请求，找到其要到达IP_B所必须经历的第一个中间节点C1的MAC地址M1，然后在其数据包中封装（Encapsulation）这些地址：IP_A、IP_B，MAC_A和M1。当PAC传到C1后，再由ARP根据其目的IP地址IP_B，找到其要经历的第二个中间节点C2的MAC地址M2，然后再将带有M2的数据包传送到C2。如此类推，直到最后找到带有IP地址为IP_B的B主机的地址MAC_B，最终传送给主机B。在传输过程中，IP_A、IP_B和MAC_A不变，而中间节点的MAC地址通过ARP在不断改变（M1，M2，M3），直至目的地址MAC_B。

简单的说就是找下一条地址，发送ARP，找到目标MAC地址，然后重复动作直到找到和IP_B同网段的目标MAC，然后再传送。

注意：同网段才能发送ARP请求。

四层网络模型

数据链路层

在网线光缆等数据传输媒介中，数据是以电信号的形式传输，也就是0-1的电信号表示数据。且包含了物理地址。数据层则是解决物理地址寻址的问题。

以太网协议定义了数据帧，每一帧传输一段数据，如果数据很长，则需要分帧传输。每一个数据帧分为两个部分，head和data（TCP、IP协议也是分为两部分）。

网络层

网络层，定义了另一种地址，用来定义计算机所在的自网络，就像你所在的市区，就是一个范围。

• IP协议 网络层定义的地址就是IP地址，规定网络地址的协议叫做IP协议。

目前广泛使用的是IPV4,但随着世界上计算机数量的增多，逐渐发现32位慢慢不够用了，就有了IPV6。

• IP地址 IPV4有32位2进制数表示，通常转化为4段十进制数表示IP地址。从0.0.0.0---255.255.255.255，每台计算机都会有一个IP地址，这个地址分为网络部分和主机部分，每个区域的网络部分和主机部分位数可能不相等。

• 子网掩码 但是由于每个区域的差别，网络部分和主机部分的位数可能不一样，因此出现了子网掩码，用来判断两个IP是否在同一各网络。比如网络部分有16位，那么255.255.102.111的子网掩码就是255.255.0.0，通过判断两个计算机IP的子网掩码是否相同就可以知道是否处于同一个子网了。

• ARP协议 由于IP数据包放在以太网数据包里发送，通过IP寻址，通过MAC地址定位，那么我们怎么能知道目标主机的MAC地址（通常IP地址是已知的，后面解释），所以我们需要用IP地址拿到MAC地址。

可以使用ARP协议，ARP协议发送一个数据包，与IP协议相似，包含于以太数据包中。其中包含了本机IP地址，本机MAC地址目标IP地址，目标MAC地址由于不知道，写的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，用来表示这是个广播地址，子网中的计算机都会拿到这个包，然后和自己的IP比较，如果相同，就知道这是个想要我MAC地址的的请求，把自己MAC地址回复。

传输层

• UDP协议 UDP数据包也是由Head和Data两部分组成。 Head部分：定义了发出端口和接收端口； Data部分：存放了数据。 其中，UDP的Head部分8个字节，总长65535字节，正好可以放进一个IP数据包。

• TCP协议 为什么有了UDP，还有TCP呢？ 因为UDP是不可靠传输，就是A发了一段UDP数据包给B，B有可能收到，也可能因为网络等问题收不到，A也不知道是个啥情况，就默认B收到了，对于一些必须要保证给B的数据，这显然不可行，TCP协议就可以保证在网络无问题时，100%传输，就算出错，A自己也能知道。

• TCP协议：TCP数据包中除了数据，有很多其它的字段，这些字段保证了传输的可靠性。 保证可靠传输会用到序列号（seq），确认号（ack），SYN，ACK，FIN 序列号：程序用来标识数据包所用的字段 确认好：用来表示对收到的数据包表示确认收到

• SYN：程序请求建立连接的字段

• ACK：程序确认收到数据的字段

• FIN：程序请求关闭连接的字段

• 三次握手 主机A，主机B

• 1.A→B seq=x，SYN=1 主机A请求建立连接 （注：这一步后，B确认了自己的收报能力）

• 2.B→A seq=y，ACK=1，SYN=1，ack=x+1 ACK表示B确认收到A的请求，SYN表示同意建立连接 （注：这一步后，A确认了自己的发报和收报能力，因为发出去的数据有应答，就说明B已经收到了）

• 3.A→B seq=x+1，ACK=1，ack=y+1 ACK表示确认B的请求 （注：这一步后，B才最终确认自己的发报能力，因为2发给A的有应答）

3次握手后，表示这个链接是好的，才建立连接，发送数据。

• 四次挥手

• A→B seq=x，FIN=1 A主机的数据发送完了，所以A发送FIN，发起了断开连接的请求

• B→A seq=y，ACK=1，ack=x+1 ACK确认收到了A的数据，但是B的数据还没有传完，所以需要等B把数据包传完之后才断开连接 （注：这一步之后，B接着传输剩下的数据包）

• B→A FIN=1，ACK=1，seq=z，ack=x+1 B的数据传完了，所以也发送FIN表示可以断开连接 （注：这一步之后，B直接断开连接）

• A→B ACK=1，seq=x+1，ack=z+1 A表示收到了B的数据，可以断开连接 （注：这一步之后，A等待B的应答，经过2MSL之后，还没有收到B的回信，因为B已经关闭连接了，所以A确定B已经断开了，A也断开连接。2MSL为报文在网络上最大生存时间，超过这个时间就会被丢弃）

应用层

TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了"应用层"。