【翻译】数据包的旅程 - 关键角色

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互联网将数以十亿计的设备连接在一起，创造了一个世界范围内的网络的网络。

下面讨论互联网中的几个关键部分，以辅助对数据包在互联网中如何传递进行更好的了解。

主机 - Host

host 表示互联网中的任何终端设备。任何流量的发起方或者流量传输的终端都可以被视作 host.

最普通的例子便是个人计算机。如今，有更多新的形式，例如：智能手机，智能电视，智能手表，部分汽车，甚至部分电冰箱等。

host 通过运行软件实现与终端用户的交互，同时完成通过传输介质发送数据的职责。因此，host 的职责跨越了 OSI 模型的所有七层。

在典型的计算机网络通信模型中，通信的双方通常被分别称作客户端（client）和服务端（Server）。

客户端发起请求，期望获取数据或者服务；而服务端接收并处理请求，并且返回客户端所需要的数据或者服务。

需要注意的是，这种角色划分是相对的。

例如，在浏览网页时，笔记本电脑承担客户端的角色，而 Web Server 承担服务端的角色；而当 Web Server 下载软件更新时，其本身则是客户端，而更新服务器为服务端。

网络 - Network

Network 由两个或者更多相互连接的设备构成，这些设备通常要么共同完成职责，要么处于同一个物理位置。Network 可以以不同的形式存在：

• 处于同一间教室中的计算机

• 家庭中由多台笔记本、智能手机、打印机组成的网络

• 提供 wifi 的咖啡店，所有连接至这个 wifi 的设备构成了一个网络

• 大型公司中可能会存在多个网络，通常按照工作角色的不同划分。例如，会计师属于一个网络，而所有工程师属于另一个网络

根据组网目的的不同，网络中的设备可能会与同一个网络中的其他设备进行通信，也可能会与其他网络中的设备通信。

互联网可以简单理解为一系列相互连接（Inter-connected）的网络（networks）.

交换机 - Switch

交换机是一种主要负责实现网络内部通信的网络设备。

在 OSI 模型中，交换机工作于 Layer 2，这意味着交换机只会解析到数据包中的 Layer 2 包头。Layer 2 包头包含了一跳（hop to hop）中数据传输所需要的必要信息，例如源端和目标端的 MAC 地址。

交换机会维护一个 MAC 地址表，主要映射接入交换机的 MAC 地址和设备接入端口之间的关系。典型的交换机有多个端口，从 24 到 48,96 或者更多。

MAC 地址表主要通过接收到的数据中的源端 MAC 地址进行填充。

在转发数据帧时，交换机通过查找 MAC 地址表来决定需要转发的端口。

如果交换机收到一个数据帧，并且不知道其目的 MAC 地址的位置，则会向所有端口都进行复制发送（除了接收到的端口）。

路由器 - Router

路由器的主要职责是实现网络间的设备通信。路由器在每个接入其的网络上都创建出了一个边界。

路由器工作在 OSI 模型的 Layer 3. 这意味着路由器会解析到 Layer 3 的报文头。Layer 3 报文头包含着实现端到端（end to end）数据传输所需要的信息，例如源端和目的 IP 地址。

在上面的图片中，路由器 R1 和 R2 隔离开了三个不同的网络（11.11.11.x，22.22.22.x 和 33.33.33.x）。R1 的右端接口和 R2 的左端接口处于同一网中。

位于 11.11.11.x 网络中的终端要与位于 33.33.33.x 网络中的设备通信，则必须首先将数据发送给 R1，R1 将数据发送给 R2，然后 R2 再将数据发送给目标设备。

路由器通过维护**路由表（Routing Table）**实现其主要功能。路由表包含着到达所有网络的路径信息。这些路径被称作路由信息，每条路由信息都包含一个 IP 网络，和一个到达目标设备路径上路由地址或路由接口。

路由表的填充有多重实现方式。

需要记住的是，从路由器的角度看，路由表是所有存在的网络的映射关系。如果一个路由器收到一个发送到未知网络的数据包，该数据包将会被丢弃。

地址解析协议 - Address Resolution Protocol, ARP

前面讨论了 MAC 地址和 IP 地址分别是属于 L2 和 L3 的寻址体系。

ARP 协议实现对 L2 和 L3 寻址体系的连接。

一般来说，通信双方在通信时已经知道了对方的 IP 地址。这可以通过多种手段实现，如：用户手动提供，DNS 解析等等。这里实际如何实现无关紧要。

但是，一般通信开始时，目标 MAC 地址是未知的。host 会通过 ARP 协议寻找恰当的 MAC 地址。换句话说，ARP 协议通过已知的 IP 地址，来找到未知的 MAC 地址。找到后，会添加到 ARP 表中，这个表维护着 IP 地址和关联 MAC 地址的映射关系。

通过下图来详细讨论 ARP 协议的工作过程。

在上图中，有紫色、灰色、红色三个网络。下面通过两个场景：网络内部通信和跨网络通信来讨论 ARP 协议。

当 Client 需要与紫色 Server 通信时，通过已知的紫色 Server IP 地址，可以得知该 Server 位于当前网络中。当客户端试图与位于同一个网络中的服务端通信时，客户端通过发送 ARP 请求来获得服务端的 MAC 地址。

ARP 协议使得 Client 可以完成如下的 Layer 2 包头填充：

当 Client 需要与红色 Server 通信时，通过已知的红色 Server IP 地址，可以得知该 Server 位于外部网络中。此时，必须首先将数据包发送到最近的路由器 （或默认网关）。

通常，Client 都会配置一个默认网关，在上图中是 R1. 当客户端试图与位于外部网络中的服务端通信时，客户端通过发送 ARP 请求来获取默认网关的 MAC 的地址。

此时，ARP 协议使得 Client 可以完成如下图所示的 Layer 2 包头填充：

总结 ARP 的功能：

• 当与同一网络中的设备通信时，通过 ARP 获取该设备的 MAC 地址

• 当与外部网络中的设备通信时，通过 ARP 获取默认网关的 MAC 地址

需要记住的是，Layer 2 负责数据包的传递，其主要目标是实现每跳（hop to hop）的传递。Layer 3 则负责端到端（end to end ）的数据传递，并不能实现将数据通过网卡进行发送和接收。ARP 的角色是：基于 L3 包头，帮助客户端创建正确的 L2 包头，从而实现 hop to hop 的数据传递。

此外，所有基于 IP 地址实现通信的设备，必须具备通过 L2 实现 hop to hop 数据传递的能力。因此，所有使用 IP 地址的设备都必须使用 ARP 来填充 MAC 地址。从而，所有 L3 设备都必须维护一个 ARP 表（ARP Table）。

总结

本文和上一篇文章介绍了一系列概念（大部分都可以独立成书），主要是为了这一系列文章的后续内容进行铺垫。在进一步讨论之前，需要比较好地掌握这些概念。

我们论了 OSI 模型中每一层的主要职责：

• OSI Layer 1: 传输 0 和 1 组成数据的物理介质

• OSI Layer 2: 实现 hop to hop 的数据传递，使用 MAC 地址寻址

• OSI Layer 3: 实现 end to end 的数据传递，使用 IP 地址寻址

• OSI Layer 2: 实现 service to service 的数据传递，使用端口号（Port Numbers）寻址

同样，还讨论了数据包在互联网中传递过程中的关键角色：

• 交换机，主要负责网络内部通信，工作于 Layer 2.

• 路由器，主要负责网络之间通信，工作于 Layer 3.

• APR 协议通过已知的 IP 地址解析未知的 MAC 地址。

我们还讨论了三种不同的映射表：

• 交换机使用 MAC 地址映射表，维护交换机端口和 MAC 地址之间的映射关系

• 路由器使用路由表，维护网络和路由接口或者下一跳地址间的映射关系

• 所有工作于 L3 的设备都需要维护一个 ARP 表，维护 IP 地址和 MAC 地址之间的映射关系

如果上述任何一个关键概念不清晰，请重新阅读本篇和上篇文章。