前言

这个系列的博客是针对阅读《网络是怎样连接的》（[日] 户根勤, 译 [中] 周自恒, ISBN: 9787115441249）一书的记录与思路整理。
有些概念是做纯路由交换的网络工程师很少接触但又很重要的部分，因此整理到这里以做分享。

包的基本知识

在前期一系列的讲解中我们谈到了应用程序（浏览器）如何调用操作系统协议栈来使用TCP 协议与远程服务器去建立连接、传输数据和关闭连接的过程。其中我们多次说到了TCP包头、IP包头的概念。

那么什么是包呢？

这是一个抽象的概念，它概括了数据在网络中传输的一种形态。逻辑上，我们认为包是由头部和数据两部分构成。

头部包含了控制信息，例如IP 头部包含了源目IP 地址；TCP 头部包含了序列号，ACK 号，SYN、ACK、FIN 等控制位。可以将其理解为快递包裹的面单（指明了谁是发件人，是收件人，是航空件还是陆运件，是加急件还是普通件）。

数据就是头部后面委托方要发送给对方的数据，也就相当于快递包裹内部的货物。

如上图，对于TCP 来说，上层应用数据委托的数据块就是TCP 的数据；对于IP 头部来说，整个TCP 包就是其数据。

包的转发

发送方负责将包创建好，添加各类控制信息，然后附加上需要发送的数据。接下来，包就会被发往最近的网络转发设备。当数据包到达最近的转发设备之后，转发设备会根据头部中的信息判断接下来应该发往哪里。这个过程需要用到一张表，这张表里面记录了每一个地址对应的发送方向，也就是按照头部里面记录的目的地址在表中进行查询，并根据查到的信息判断接下来应该发往哪个方向。例如，表内查询结果是“目标地址为xxx 的包应该发到xxx号线路”，那么转发设备就会把这个包发送到xxx号线路去。数据包就这样一路被转发，直至到达目的地。

还是以快递类比，例如，A从深圳发送一个包裹到北京的B。那么A首先要填写一个快递单（控制信息），然后将要发送的货物打包成箱（数据），然后将快递单号贴在货物箱上（封装）。之后，A 将包裹交给快递员，快递员将包裹送往最近的快递集散中心（数据包发送给最近的转发设备）。快递集散中心收到包裹后，查看快递单信息，发现是发送到北京的包裹，他们将包裹放到发往广州集散中心的货车上，将包裹送往广州（路由选择）。当广州的集散中心收到包裹查看快递单，发现是发往北京的包裹，他们将包裹发往白云机场，送上直飞北京的货运飞机。到达北京后，北京机场的快递集散中心，将包裹又放上送往西城区集散中心的货车。最终，西城区的快递员收到包裹，成功将包裹交到B 手中，整个送货过程（转发过程）结束。

整个转发需要涉及到两种不同的地址IP地址（逻辑地址）和MAC 地址（物理地址）。

IP地址根据目标地址判断下一个IP转发设备的位置；
MAC 地址根据以太网协议将数据包传输到下一个转发设备。

发送方将数据包发往目的地时，在控制信息（IP包头）中写入要访问的服务器IP地址（类似快递面单的目的地址）。这样一来，所有沿途的转发设备都知道数据包的最终目的地址是什么了，IP协议可以根据这一地址查找数据包的传输方向，从而找到下一个路由器的位置。接下来，IP协议会委托以太网协议将数据包传送到下一个路由器。这时，IP 协议会查找下一个路由器的以太网地址（MAC 地址），并将该地址写入MAC 头部。这样一来，以太网协议就知道要将这个包发送到哪一个路由器上了（个人愚见，为何需要两个地址。一个是因为协议分层，IP 在逻辑上指明源目地址即可，物理上如何实现转发需要另一个协议层来执行，所以有两个地址；另外，以太网默认情况下是一个点到多点的网络，即使两台路由器是直联状态，也需要MAC 地址在多点中去明确下一跳到底是哪里）。

分层浅识

在整个转发过程中，IP 和以太网是有明确分工的。也就是IP协议层和以太网协议层是分开的。在这里，以太网实际上是可以替换成其它协议的，例如：无线局域网（Wi-Fi），ADSL（调制上网技术），FTTH（光纤入户）等等，这些协议都可以替代以太网来协助IP协议传输数据包。

同样的，传输层有TCP和UDP 协议，它们都可以委托IP 协议来传输数据包。分层的特性让不同协议来使用IP 协议进行传输成为可能。

因此，将IP和负责实际传输的网络分开，可以更好地根据需要使用各种通信技术。互联网这样庞大复杂的网络，从架构上需要保证灵活性，这就是设计这种分工/分层方式的原因。

但是需要注意的是，在操作系统中，IP 模块（非协议）负责给数据包添加MAC 头部和IP头部。