MAC、IPv4、IPv6、TCP和UDP头部结构详解及网页浏览过程解析
MAC、IPv4、IPv6、TCP和UDP头部结构详解及网页浏览过程解析
在现代计算机网络中，数据的传输需要经过多个层次的封装和解封装过程。本文将详细介绍MAC、IPv4、IPv6、TCP和UDP头部的结构，并通过一个用户浏览网页的场景，详细描述数据在网络中的传输过程。
MAC 头部
MAC头部是数据链路层的头部，主要包含以下字段：
字段名称 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
目标 MAC 地址 | 6 | 接收设备的 MAC 地址。 |
源 MAC 地址 | 6 | 发送设备的 MAC 地址。 |
以太网类型/长度 | 2 | 表示上层协议类型（如 IPv4、IPv6）或数据长度（以太网 II 或 802.3）。 |
数据负载 | 46-1500 | 上层协议封装的数据，长度 46~1500 字节。 |
帧校验序列（FCS） | 4 | CRC32 校验，用于检测帧传输中的错误。 |
IPv4 头部
IPv4头部是网络层的头部，主要包含以下字段：
字段名称 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
版本号 | 4 | 指定 IP 协议版本，IPv4 的值为 4。 |
首部长度 | 4 | 指定 IP 首部的长度（以 4 字节为单位）。 |
服务类型（TOS） | 8 | 指示服务质量（如低延迟、高吞吐量）。 |
总长度 | 16 | 表示整个数据包的长度，包括头和数据。 |
标识 | 16 | 用于区分不同的分片。 |
标志 | 3 | 控制分片行为，如“更多分片”标志（MF）。 |
片偏移 | 13 | 分片数据在原数据包中的偏移量。 |
生存时间（TTL） | 8 | 表示数据包在网络中生存的最大跳数。 |
协议 | 8 | 指示上层协议类型（如 6 表示 TCP，17 表示 UDP）。 |
头校验和 | 16 | 对 IP 头进行校验，确保数据完整性。 |
源 IP 地址 | 32 | 表示发送方的 IP 地址。 |
目的 IP 地址 | 32 | 表示接收方的 IP 地址。 |
选项（可选部分） | 可变 | 用于扩展功能，如安全性和时间戳。 |
数据部分 | 可变 | 上层协议的数据。 |
IPv6 头部
IPv6头部是网络层的头部，主要包含以下字段：
字段名称 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
版本号 | 4 | 指定 IP 协议版本，IPv6 的值为 6。 |
流量类别 | 8 | 指示数据包的服务类型和优先级。 |
流标识 | 20 | 用于标识数据流，支持 QoS（服务质量）。 |
有效载荷长度 | 16 | 数据部分的长度（不包括头部）。 |
下一个头部 | 8 | 指示上层协议（如 TCP：6，UDP：17，ICMPv6：58）。 |
跳限制（Hop Limit） | 8 | 数据包可经过的最大路由跳数，类似 IPv4 的 TTL。 |
源地址 | 128 | 发送方的 IPv6 地址。 |
目的地址 | 128 | 接收方的 IPv6 地址。 |
扩展头部（可选） | 可变 | 包括路由头、分片头、认证头等。 |
数据部分 | 可变 | 封装的传输层协议数据。 |
TCP 头部
TCP头部是传输层的头部，主要包含以下字段：
字段名称 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
源端口号 | 16 | 发送方的端口号。 |
目的端口号 | 16 | 接收方的端口号。 |
序列号 | 32 | 数据流中第一个字节的编号。 |
确认号 | 32 | 表示期望接收的下一个字节序号。 |
数据偏移 | 4 | TCP 头的长度（以 4 字节为单位）。 |
保留位 | 6 | 保留字段，目前未使用。 |
控制位 | 6 | 标志位，用于连接和数据流控制（如 SYN、ACK、FIN 等）。 |
窗口大小 | 16 | 用于流量控制，表示接收方可接收的数据量。 |
校验和 | 16 | 检测头部和数据部分是否完整。 |
紧急指针 | 16 | 紧急数据的位置，仅在 URG 标志位置位时有效。 |
选项 | 可变 | 包括 MSS（最大报文段大小）等扩展功能。 |
数据部分 | 可变 | 封装的应用层数据。 |
UDP 头部
UDP头部是传输层的头部，主要包含以下字段：
字段名称 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
源端口号 | 16 | 发送方的端口号。 |
目的端口号 | 16 | 接收方的端口号。 |
长度 | 16 | 整个 UDP 数据报的长度，包括头部和数据部分。 |
校验和 | 16 | 用于检测数据报是否完整。 |
数据部分 | 可变 | 封装的应用层数据。 |
场景：用户浏览网页的详细过程
1. 用户输入 URL
用户在浏览器中输入 URL（例如 http://www.example.com），并按下回车键。
- 应用层协议：HTTP
- 浏览器生成一个 HTTP 请求：
- 方法：GET
- URL：http://www.example.com
- HTTP 版本：HTTP/1.1
- 其他头部字段（如 User-Agent、Host）。
- 目标是从服务器获取网页内容。
2. DNS 查询
为了知道 www.example.com 对应的服务器 IP 地址，浏览器首先发起 DNS 查询。
应用层：DNS 请求
浏览器检查本地 DNS 缓存。如果没有找到 IP 地址，则构造一个 DNS 查询报文。
查询目标为 www.example.com 的 IP 地址。
传输层：UDP 协议
DNS 查询被封装在 UDP 数据段中。
UDP 头部包含：
源端口号：随机分配（例如 51000）。
目标端口号：53（DNS 服务器的标准端口）。
网络层：IPv4/IPv6
UDP 数据段被封装在 IP 数据包中。
IP 头部包含：
源 IP 地址：用户设备的 IP 地址（如 192.168.1.100）。
目标 IP 地址：DNS 服务器的 IP 地址。
链路层：以太网帧
IP 数据包被封装在以太网帧中。
MAC 头部包含：
源 MAC 地址：用户设备的 MAC 地址。
目标 MAC 地址：路由器的 MAC 地址（下一跳）。
DNS 响应
DNS 服务器返回 www.example.com 的 IP 地址（如 93.184.216.34），使用类似的封装方式。
3. 建立 TCP 连接
得到服务器的 IP 地址后，浏览器与 93.184.216.34 建立 TCP 连接。
(1) 三次握手过程
第一次握手：SYN
客户端生成一个 TCP SYN 包，请求建立连接。
TCP 头部：
标志位：SYN=1，ACK=0。
序列号：随机生成（如 1000）。
IP 头部：
源 IP 地址：192.168.1.100。
目标 IP 地址：93.184.216.34。
MAC 头部：
源 MAC 地址：用户设备的 MAC 地址。
目标 MAC 地址：路由器的 MAC 地址（或下一跳设备）。
第二次握手：SYN-ACK
服务器响应 TCP SYN 包，返回 SYN-ACK。
TCP 头部：
标志位：SYN=1，ACK=1。
序列号：随机生成（如 3000）。
确认号：客户端序列号 + 1（即 1001）。
第三次握手：ACK
客户端发送 ACK 包，确认连接已建立。
TCP 头部：
标志位：ACK=1。
确认号：服务器序列号 + 1（即 3001）。
4. 发送 HTTP 请求
TCP 连接建立后，浏览器通过 HTTP 协议向服务器发送网页请求。
HTTP 请求内容
GET /index.html HTTP/1.1。
Host: www.example.com。
封装过程
传输层：TCP
HTTP 数据被封装在 TCP 数据段中。
TCP 头部：
源端口号：随机分配（如 51001）。
目标端口号：80（HTTP 的标准端口）。
网络层：IP
TCP 数据段被封装在 IP 数据包中。
IP 头部：
源 IP 地址：用户设备的 IP 地址。
目标 IP 地址：服务器的 IP 地址。
链路层：以太网
IP 数据包被封装在以太网帧中。
MAC 头部：
源 MAC 地址：用户设备的 MAC 地址。
目标 MAC 地址：路由器的 MAC 地址。
5. 服务器响应
服务器接收到 HTTP 请求后，处理并返回网页内容。
HTTP 响应内容
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html
网页的 HTML 数据。
封装过程
传输层：TCP
HTTP 响应数据被封装在 TCP 数据段中。
TCP 头部：
源端口号：80。
目标端口号：51001（客户端的端口）。
网络层：IP
TCP 数据段被封装在 IP 数据包中。
IP 头部：
源 IP 地址：服务器的 IP 地址。
目标 IP 地址：客户端的 IP 地址。
链路层：以太网
IP 数据包被封装在以太网帧中。
MAC 头部：
源 MAC 地址：服务器的 MAC 地址。
目标 MAC 地址：下一跳路由器的 MAC 地址。
6. 浏览器解析网页
浏览器收到服务器返回的 HTTP 响应后，解封装数据：
- 链路层：检查 MAC 地址，确认帧是给自己的，移除 MAC 头。
- 网络层：检查 IP 地址，确认包是给自己的，移除 IP 头。
- 传输层：检查 TCP 序列号和确认号，按序重组数据，移除 TCP 头。
- 应用层：提取 HTTP 数据（网页内容）。
浏览器根据 HTML 内容渲染网页，并显示给用户。
7. 释放连接
当网页加载完成，浏览器和服务器通过 TCP 四次挥手释放连接。
四次挥手过程
- 客户端发送 FIN 包：
- 表示客户端关闭数据发送。
- TCP 头部：FIN=1，ACK=1。
- 服务器回复 ACK 包：
- 表示已接收关闭请求。
- TCP 头部：ACK=1。
- 服务器发送 FIN 包：
- 表示服务器关闭数据发送。
- TCP 头部：FIN=1，ACK=1。
- 客户端回复 ACK 包：
- 表示已接收服务器的关闭请求。
- TCP 头部：ACK=1。