记一次完整的网络通信过程

记一次完整的网络通信过程

网络通信是计算机网络中最重要的功能之一，它使得不同主机之间能够互相交换数据。本文将详细介绍网络通信的基本过程，包括同一网段内和跨网段主机通信的完整流程。

通用流程

网络设备之间的通信首先会经过如下两个步骤：

1. 发送主机应用程序生成数据，准备向外发送一个数据包；
2. 发送主机（TCP/IP协议栈）判断这个数据包的目的地址是否在同一个网段：本机IP地址和目的IP地址分别与本机子网掩码作按位与操作，结果一致则在同一网段，否则两者分别位处不同网段，针对两种不同情况，通信流程也有明显差异。

注意：网关通常指的是路由器的一个物理端口，此时路由器称为“网关路由器”。路由器转发数据包时不会对它的源IP地址和目的IP地址做修改，只会修改MAC地址。

网内通信

网内通信，即通信双方都位处同一网段中，数据传输无需经过路由器（或三层交换机），即可由本网段自主完成。

以下图拓扑为例：

在第一节的两个步骤基础上，若目的主机与发送主机属于同一网段，假设发送主机的ARP表中并无目的主机对应的表项，则发送主机会以目的主机IP地址为内容，广播ARP请求以期获知目的主机MAC地址，并通过交换机（除到达端口之外的所有端口发送，即洪泛（Flooding））向全网段主机转发，而只有目的主机接收到此ARP请求后会将自己的MAC地址和IP地址装入ARP应答后将其回复给发送主机，发送主机接收到此ARP应答后，从中提取目的主机的MAC地址，并在其ARP表中建立目的主机的对应表项（IP地址到MAC地址的映射），之后即可向目的主机发送数据，将待发送数据封装成帧，并通过二层设备（如交换机）转发至本网段内的目的主机，自此完成通信。

网际通信

网际通信，即通信双方分处不同网段，数据传输需经过路由器（或三层交换机）才能完成不同网段的通信。

以下图拓扑为例：

在第一节的两个步骤基础上，若目的主机与发送主机不在同一网段，则需进行以下五个步骤：

1. 假设发送主机的路由表中也无目的主机所在网段对应的表项，发送主机会将此数据包先发送至默认网关，由默认网关完成转发，假设发送主机的ARP表中并无默认网关对应的表项，则进行上一节中相同的ARP过程以获知默认网关MAC地址，之后根据此MAC地址，本机将数据包封装成帧后发送给默认网关。值得注意的是，此数据包的目的MAC地址为默认网关的MAC地址，而目的IP地址仍为目的主机的IP地址，即：源、目的MAC地址在帧转发过程中会被修改为本跳和下一跳的MAC地址，而源、目的IP地址则始终不变；
2. 假设两个通信网段仅通过此默认网关连接（两个网段之间只有默认网关这一跳），默认网关提取数据包的目的IP地址，并查找路由表对应表项，通过与每个表项的掩码（Genmask）进行按位与操作，得到的结果如果与对应目的网段（Destination）相同，在本例中将会找到一个满足要求的路由表项，并发现此表项指示的下一跳（Gateway）的IP地址为0.0.0.0，即说明目的主机属于与该网关的某个端口（由Iface指示）直连的网段，会向该端口转发此数据包，但在此之前，假设网关的ARP表项中并无目的主机对应的表项，那么它还是需要向目的网段广播ARP请求以获知目的主机的MAC地址，并随后以此MAC地址作为目的MAC地址，以路由表项Iface指示的端口的MAC地址为源MAC地址，将数据包封装成帧向目的主机发送。
3. 假设两个通信网段之间包含不止一跳，那么默认网关进行步骤2类似过程，重新封装数据包转发到下一个网关；
4. 直到网关发现目的网段与本机的某个端口直连，再行获取目的主机的MAC地址，并将数据包重新封装成帧发送到目的主机网卡；
5. 目的主机协议栈验证目的IP地址是自身的IP地址后交付给上层应用，自此完成通信。

总结

本文详细介绍了网络通信的基本过程，包括同一网段内和跨网段主机通信的完整流程。通过具体的示例和图解，帮助读者理解通信过程中各硬件设备和网络协议的协同工作流程。随着网络技术的不断发展，网络通信也在向着更高速、更智能的方向发展，例如SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）等新技术正在改变着网络通信的架构和方式。