网络二层与三层数据包转发过程

　　对于搞IT的同行而言，大部分人都不会直接和网络打交道，因此除非从事网络开发，否则对网络内部机制也不会太关心，但是明白网络数据是怎么走的，这对每个IT工程师应该是很重要的基础知识。网络数据包如何在网络上游荡，长久以来也困扰了我很长时间，现在把这部分内容总结分享一下。

　　说起网络，大家不约而同会想起大学课本上那个臭名昭著的ISO七层模型，但是ISO模型只是提供了一个参考，并不是具体实现，目前我们使用最多的实现其实是TCP/IP协议族。但是对于TCP/IP，除了表示层和会话层没有体现，其它几层和ISO基本是对应的，从这个角度讲ISO模型还是有参考意义的。

　　不扯那么多，我们落地一点：

• 对于物理层而言打交道的基本都是电信号和光信号，例如网卡、光纤、双绞线等都被归到物理层考虑；
• 对于链路层，数据在离散电/光信号的基础之上，被逻辑划分成一帧一帧（Frame）来管理，这一层是数据交换的主要层面，交换的依据主要是网卡MAC地址，以太网（定义了一种帧格式）、交换机、集线器都划归这一层；
• 网络层是比链路层更高一级的逻辑层，在这一层主要工作的是路由器，路由器基于IP地址进行跨网链路的计算；
• 传输层顾名思义是用来控制网络层传输的，因为网络层只是一个“尽力而为”的层，其传输不是完全可靠的，如果将超时重传等可靠性保障机制都交给程序员来做，估计大部分程序员都要疯了，幸好有了传输层提供了TCP和UDP两种机制给我们，才让我们可以高枕无忧的传输数据，而我们在代码里要做的只是打开一个传输层的套接字（即Socket）就可以了；
• 至于表示层和会话层我们就不多做理解了，这两层基本只是摆设；
• 应用层是最高层的协议，Web HTTP协议、远程登录SSH协议等都被划归这一层，确切来说这一层已经不属于基础网络了，基本都是软件自定义协议。

　　理解了网络各层的概念后，我们再回过头来看，在这七层中网络层、链路层、物理层属于低三层，其余属于高四层，从字面上可以看出传输层以下才是真正通过网络传输数据的层面。对于物理层，主要定义的是各种传输介质的信号传输方式，比如时钟频率、电平高低、信道编码等，这一层只是机械的传输，不涉及数据包选路逻辑，链路层（L2层）和网络层（L3层）才是我们要理解的地方。

　　首先看L2链路层，这一层以帧（Frame）为单位组织物理信号，每个帧都需要有一个源地址和目的地址，绝大多数情况下使用的都是网卡MAC地址。这一层主要的数据转发设备是集线器和交换机，对于集线器，由于每一个数据帧都会被复制到各个端口，使每个连接主机收到很多跟自己无关的数据帧，这直接导致主机和集线器之间信道冲突剧烈（冲突域属于物理层概念），因此现在基本不用该设备。而交换机则具有MAC地址学习功能，能够向各个端口准确投放数据帧，这样就大大提高了数据传输效率。对于L2层，交换机只能转发一个子网内的数据帧（子网是通过IP地址划分的），如果要将一个数据帧跨网转发，则需要借助于L3层的路径规划功能，这个一会再说。

　　现在假设有如下网络拓扑结构，ABCD四台主机属于10.0.0.0子网，网关都指向路由器的10.0.0.1端口，EFGH属于10.0.1.0子网，网关指向路由器的10.0.1.1端口。

　　 先看同一子网内的通信的情况（A向C发送数据，这种情况下都是通过IP地址指定的），假如所有的主机、交换机和路由器都刚刚加电，内部没有缓存任何MAC映射表和路由表。Ａ在发送之前，发现C和A在同一个子网内，于是A试图先在物理子网内找一下C，但是在同一物理子网内是通过硬件MAC地址来寻址的，而A此时并不知道C的MAC地址，于是A通过ARP广播来试图获取，发出的广播包包括如下类似内容：（注：广播时用的MAC地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff）

　　交换机1在收到这个ARP广播包后，首先学习到了主机A原来是和1口连接的，然后在缓存中查找C的MAC地址，但是最终没有找到，于是交换机1将这个包从所有端口（连接A的1口除外）发出去，交换机2收到后也会继续广播出去。当主机B和D收到这个广播包之后，发现和自己无关，于是便直接丢弃这个包，不做任何处理；C收到这个广播包后，发现原来是找自己的，于是它发出如下类似格式的回应内容，来告知A自己的身份。

　　这个过程对于所有参与的交换机也是个学习的过程，因此交换机1和交换机2也学习到了Ａ和C的位置。至此AC相互找到对方后，便可以在同一物理子网之间直接通过指定MAC地址通信了，他们发送数据帧的类似格式如下：

　　下面再来看跨物理网络通信的情况（A向E发送数据），同样假设设备都刚刚加电，缓存为空。A发现E的IP也是同一网段的，于是又开始广播，但是这次BCD都没有回应。我们此时把视线转到路由器1上，当路由器1收到这个ARP广播包后，为了避免广播风暴的产生，路由器1不会继续广播这个ARP包，但是路由器1会把自己的MAC告诉A，回发如下类似格式的内容：

　　A在等待超时后，发现当前物理子网内找不到E，但是A已经知道了网关路由器的MAC地址，于是便会将发给E的数据包扔给网关（也就是路由器1的1口），路由器1收到这个包后，发现E的IP在自己内部也没有缓存，于是路由器1也开始了寻找E的过程。相比交换机的子网内“广播找人”，路由器的选路范围更大也更复杂，很多情况下是整个Internet，并且要夸多个运营商，所以在L3层面路由器的路径计算协议较多，包括：RIP、OSPF、IS-IS、BGP、IGRP等协议。路由器之间计算路径时，任何一台路由器都是无法窥探整个网络的，因此每台路由器都只是通过选路算法找到下一跳的最优路径，这些最优路径连接起来便形成了一条完整的路径。换句话说，路由器的转发路径不是一个路由器选择出来的，而是一群路由器共同选择出来的下一跳地址序列。具体的路由选路无法一一讲解，大家感兴趣可以自己调查一下，这里假设路由器1直接找到了路由器2。

　　我们继续往下探索，当路由器2接到寻找主机E的广播包后，发现E位于自己的网络中（当然也提前需要一个广播学习的过程才能知道），便向前一跳路由器（即路由器1）反馈自己离主机E最近，最终经过这样一个“A→网关路由器→路由器间选路→找到主机E所在子网”的过程A终于可以与E进行通信了，由于A和E之间经历了多个物理子网，因此需要多次的L2转发才能实现数据包的到达，这个过程中L3层IP包外包帧的MAC地址会不断变换。A→B→A这个过程中，数据帧和IP包的地址经历过程如下（假设A使用的是本机的88端口，B使用的是本机的99端口）：

　　在这个过程中，数据包在路由器1和2的1<-->4口之间传递时，由于是在一个设备内部，因此可以直接转发，而不用变换帧头，从而提高转发效率。如果A要与其它子网的FGH主机通信，过程基本是一样的，只不过刚开始不会先在当前子网内“广播找人”，而是直接将数据包投递给出口网关。

　　本文旨在向大家展示L2交换机和L3路由器在转发网络数据时的一个主要流程，希望能给大家带来帮助。由于3层跨子网计算IP包投送路径协议比较多，先请大家自己参考其它资料。

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