對於搞it的同行而言，大部分人都不會直接和網路打交道，因此除非從事網路開發，否則對網路內部機制也不會太關心，但是明白網路資料是怎麼走的，這對每個it工程師應該是很重要的基礎知識。網路資料報如何在網路上遊蕩，長久以來也困擾了我很長時間，現在把這部分內容總結分享一下。
說起網路，大家不約而同會想起大學課本上那個臭名昭著的iso七層模型，但是iso模型只是提供了乙個參考，並不是具體實現，目前我們使用最多的實現其實是tcp/ip協議族。但是對於tcp/ip，除了表示層和會話層沒有體現，其它幾層和iso基本是對應的，從這個角度講iso模型還是有參考意義的。
不扯那麼多，我們落地一點：
理解了網路各層的概念後，我們再回過頭來看，在這七層中網路層、鏈路層、物理層屬於低三層，其餘屬於高四層，從字面上可以看出傳輸層以下才是真正通過網路傳輸資料的層面。對於物理層，主要定義的是各種傳輸介質的訊號傳輸方式，比如時鐘頻率、電平高低、通道編碼等，這一層只是機械的傳輸，不涉及資料報選路邏輯，鏈路層（l2層）和網路層（l3層）才是我們要理解的地方。
首先看l2鏈路層，這一層以幀（frame）為單位組織物理訊號，每個幀都需要有乙個源位址和目的位址，絕大多數情況下使用的都是網絡卡mac位址。這一層主要的資料**裝置是集線器和交換機，對於集線器，由於每乙個資料幀都會被複製到各個埠，使每個連線主機收到很多跟自己無關的資料幀，這直接導致主機和集線器之間通道衝突劇烈（衝突域屬於物理層概念），因此現在基本不用該裝置。而交換機則具有mac位址學習功能，能夠向各個埠準確投放資料幀，這樣就大大提高了資料傳輸效率。對於l2層，交換機只能**乙個子網內的資料幀（子網是通過ip位址劃分的），如果要將乙個資料幀跨網**，則需要借助於l3層的路徑規劃功能，這個一會再說。
現在假設有如下網路拓撲結構，abcd四台主機屬於10.0.0.0子網，閘道器都指向路由器的10.0.0.1埠，efgh屬於10.0.1.0子網，閘道器指向路由器的10.0.1.1埠。
先看同一子網內的通訊的情況（a向c傳送資料，這種情況下都是通過ip位址指定的），假如所有的主機、交換機和路由器都剛剛加電，內部沒有快取任何mac對映表和路由表。ａ在傳送之前，發現c和a在同乙個子網內，於是a試圖先在物理子網內找一下c，但是在同一物理子網內是通過硬體mac位址來定址的，而a此時並不知道c的mac位址，於是a通過arp廣播來試圖獲取，發出的廣播包包括如下類似內容：（注：廣播時用的mac位址是ff:ff:ff:ff:ff:ff）
交換機1在收到這個arp廣播包後，首先學習到了主機a原來是和1口連線的，然後在快取中查詢c的mac位址，但是最終沒有找到，於是交換機1將這個包從所有埠（連線a的1口除外）發出去，交換機2收到後也會繼續廣播出去。當主機b和d收到這個廣播包之後，發現和自己無關，於是便直接丟棄這個包，不做任何處理；c收到這個廣播包後，發現原來是找自己的，於是它發出如下類似格式的回應內容，來告知a自己的身份。
這個過程對於所有參與的交換機也是個學習的過程，因此交換機1和交換機2也學習到了ａ和c的位置。至此ac相互找到對方後，便可以在同一物理子網之間直接通過指定mac位址通訊了，他們傳送資料幀的類似格式如下：
下面再來看跨物理網路通訊的情況（a向e傳送資料），同樣假設裝置都剛剛加電，快取為空。a發現e的ip也是同一網段的，於是又開始廣播，但是這次bcd都沒有回應。我們此時把視線轉到路由器1上，當路由器1收到這個arp廣播包後，為了避免廣播風暴的產生，路由器1不會繼續廣播這個arp包，但是路由器1會把自己的mac告訴a，回發如下類似格式的內容：
a在等待超時後，發現當前物理子網內找不到e，但是a已經知道了閘道器路由器的mac位址，於是便會將發給e的資料報扔給閘道器（也就是路由器1的1口），路由器1收到這個包後，發現e的ip在自己內部也沒有快取，於是路由器1也開始了尋找e的過程。相比交換機的子網內「廣播找人」，路由器的選路範圍更大也更複雜，很多情況下是整個internet，並且要誇多個運營商，所以在l3層面路由器的路徑計算協議較多，包括：rip、ospf、is-is、bgp、igrp等協議。路由器之間計算路徑時，任何一台路由器都是無法窺探整個網路的，因此每台路由器都只是通過選路演算法找到下一跳的最優路徑，這些最優路徑連線起來便形成了一條完整的路徑。換句話說，路由器的**路徑不是乙個路由器選擇出來的，而是一群路由器共同選擇出來的下一跳位址序列。具體的路由選路無法一一講解，大家感興趣可以自己調查一下，這裡假設路由器1直接找到了路由器2。
我們繼續往下探索，當路由器2接到尋找主機e的廣播包後，發現e位於自己的網路中（當然也提前需要乙個廣播學習的過程才能知道），便向前一跳路由器（即路由器1）反饋自己離主機e最近，最終經過這樣乙個「a→閘道器路由器→路由器間選路→找到主機e所在子網」的過程a終於可以與e進行通訊了，由於a和e之間經歷了多個物理子網，因此需要多次的l2**才能實現資料報的到達，這個過程中l3層ip包外包幀的mac位址會不斷變換。a→b→a這個過程中，資料幀和ip包的位址經歷過程如下（假設a使用的是本機的88埠，b使用的是本機的99埠）：
在這個過程中，資料報在路由器1和2的14口之間傳遞時，由於是在乙個裝置內部，因此可以直接**，而不用變換幀頭，從而提高**效率。如果a要與其它子網的fgh主機通訊，過程基本是一樣的，只不過剛開始不會先在當前子網內「廣播找人」，而是直接將資料報投遞給出口閘道器。
本文旨在向大家展示l2交換機和l3路由器在**網路資料時的乙個主要流程，希望能給大家帶來幫助。由於3層跨子網計算ip包投送路徑協議比較多，先請大家自己參考其它資料。
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