从浏览器到服务器：TCP 段的网络传输之旅

本文以简化的网络架构为例，详细介绍了当你在浏览器中输入网址（例如www.google.com）并按下回车键后，TCP段的完整传输过程。我们将探讨DNS解析、ARP、TCP/IP封装、PAT和路由如何协同工作，将数据从个人电脑通过局域网和广域网发送到谷歌的服务器。需要注意的是，本文为了便于学习，展示的是一个基础案例，而实际应用中的网络实现往往更为复杂。

1. DNS解析：将域名转换为IP地址

当你输入www.google.com这样的域名时，浏览器首先需要将其解析为IP地址才能发起通信，步骤如下：

1. 系统会检查本地DNS缓存，包括/etc/hosts文件或操作系统缓存。
2. 如果在本地缓存中未找到对应记录，就会向电脑中配置的DNS服务器（通常由互联网服务提供商或路由器提供）发送DNS查询请求。
3. DNS服务器会返回对应的IP地址（例如142.250.190.132）。
4. 此时，浏览器已准备好与目标IP地址建立TCP连接。

2. 准备建立TCP连接

在发送数据包之前，系统需要做一些准备工作：

1. 源IP地址：网卡的IP地址。
2. 目的IP地址：从DNS服务器获取到的IP地址。
3. 源MAC地址：网卡的MAC地址。
4. 目的MAC地址：
   • 如果目标设备与本机在同一子网，可通过ARP协议获取其MAC地址。
   • 如果目标设备在不同子网（通常情况如此），数据包必须经过默认网关转发，因此需要获取网关的MAC地址。

系统如何获取网关的MAC地址：通过ARP（地址解析协议）

1. 利用子网掩码判断目标设备是否在子网外。
2. 如果是，发送ARP广播：“谁拥有192.168.1.1这个IP地址？”
3. 网关会回复其MAC地址。
4. 个人电脑会将该MAC地址缓存起来，以便后续进行帧封装。

3. 数据封装：四层协议栈

1. 应用层（HTTP消息）：
   • 例如，GET / HTTP/1.1请求。
2. 传输层（TCP段）：
   • 添加源端口和目的端口（例如，40000 → 443，443是HTTPS的默认端口），源端口是操作系统分配的动态端口（1024-65535，例如40000）。
   • 必要时对数据进行分段。
3. 网络层（IP数据包）：
   • 添加源IP地址和目的IP地址。
   • 其他字段：TTL（生存时间）、校验和等。
4. 数据链路层（以太网帧）：
   • 添加源MAC地址和目的MAC地址。
   • 包含一个带有FCS（帧校验序列）的尾部，用于错误检查。

最后，完整的以太网帧会被发送到局域网交换机。

4. 通过交换机发送到网关（第二层）

交换机维护着一张MAC地址表。例如：00:1A:2B:3C:4D:5E → Gi0/1, VLAN 10，表示拥有该MAC地址的设备连接在Gi0/1端口。

1. 当交换机从某个端口接收到帧时，会检查源MAC地址与该端口的映射关系是否存在于表中。如果不存在，就将该映射添加到表中。
2. 交换机检查网关的目的MAC地址是否存在于表中。
3. 如果不存在，交换机就会将帧从除源端口之外的所有端口发送出去。网关收到广播帧后，会回复其MAC地址（例如00:1A:2B:3C:4D:5E）。交换机随后会将这个MAC地址与端口的映射记录到表中，这样后续发往网关的帧就可以直接转发（不再需要广播）。

5. 网关执行PAT（端口地址转换）

如果个人电脑使用私有IP地址，边缘路由器（PAT设备）必须进行地址转换：

• 源IP地址：从私有IP地址（例如192.168.1.100）转换为路由器的公网IP地址（例如203.0.113.10）。
• 源端口：替换为临时的公网端口（例如50000）。
• PAT表条目：192.168.1.100:8080 → 203.0.113.10:50000。

之后，路由器会将修改后的IP数据包转发到广域网。

6. 广域网中的路由器：寻找最短路径

路由表的构建方式有两种：手动配置（静态路由）或通过动态路由协议自动生成（例如，用于内部网络的OSPF协议、用于互联网服务提供商之间通信的BGP协议）。这些协议通过交换路径信息来找到最佳路由。每台广域网路由器都维护着一个路由表数据库，该数据库将目的IP网络映射到：

• “下一跳”路由器（路径中的下一台路由器）。
• 出接口（用于发送数据包的物理端口）。
• 度量值（例如跳数、带宽、延迟），用于确定“最佳”路径。

路由决策过程：

1. 检查IP头部：TTL、校验和等。
2. 最长前缀匹配：将目的IP地址与最具体的网络进行匹配。
3. 选择最佳路径：基于成本最低的度量值。
4. 更新头部：
   • 递减TTL值。
   • 将目的MAC地址替换为下一跳路由器的MAC地址。
5. 转发到下一跳路由器。

这个过程会逐跳重复，直到数据包到达目标所在的本地互联网服务提供商。

7. 最终交付与解封装

最后一台路由器确定该数据包属于某个直接连接的局域网段：

1. 它将帧转发到交换机或直接转发到服务器。
2. 服务器接收到帧后开始解封装：
   • 数据链路层 → 网络层 → TCP段 → HTTP消息。
3. 该消息最终由应用程序（例如Nginx或Apache等Web服务器）处理。

8. 服务器如何响应

服务器的响应遵循与请求相同的封装过程，但源IP地址、目的IP地址以及源端口、目的端口是反向的（例如，源IP地址：谷歌服务器的IP地址；目的IP地址：经过PAT转换后的个人电脑私有IP地址）。

• 服务器生成响应并发送回去。
• 在第一台路由器（PAT网关）处，利用PAT表进行映射：203.0.113.10:50000 → 192.168.1.100:8080。
• 路由器相应地重写IP地址和端口字段，并将数据包转发回个人电脑。