最近在设计开发一个智能视觉检测系统，涉及到一些通信知识，加上之前学习了解的内容，顺手整理一下。
1. 网络数据封包过程
网络通信离不开各种各样的协议，不然通信各端就得懵圈。网络协议简单理解就是计算机之间通信的数据格式。可以通过网络分层模型来理解网络的数据格式和分包过程。
应用层：应用层的数据是一个个大小有明确限制的数据包，可以理解为要寄送的信件。
传输层：应用层的数据包，加上一个TCP头，交给传输层传输，这个TCP头可以类比给信件套上信封，并写好收发单位的门牌号(端口号)。传输层是为了解决传输可靠性问题，它有两套协议，TCP和UDP。
网络层：在传输层数据的基础上，就像再加一层信封，写上收发单位的地址，这个信封就是IP头，地址就是接收双方的IP地址，即源IP地址和目标IP地址。有了IP地址，这包数据在WAN上传输，就知道自己的目的地了。IP实现寻址和分段，除了路由功能，IP还提供分包功能，如果有些网络内只能传送小数据包，IP可以将数据包重新组装，并在报头域内注明。IP不负责可靠性和流控制。
数据链路层：数据链路层的网络协议比较多样化。局域网(LAN)目前最流行的是以太网(Ethernet)协议，广域网(WAN)常见的是HDLC、PPP、Frame-Relay等网络协议。
物理层：0101比特流在通信介质上的传输，分为点对点传输和广播传输。
2. 常用的网络协议
说网络协议之前，先说一下大家都很熟悉的三种网络通信地址。
MAC地址：Ethernet协议用的是MAC地址，一台计算机有一个或多个网卡，每个网卡会有自己的唯一标识，即MAC地址。
IP地址：IP地址决定了网络路由怎么走，信息如何达到你的计算机网卡。IP地址发展了两代，分别是IPv4和IPv6，IPv4的地址空间太小，只有40多亿个地址，因此升级到了IPv6。
域名：由于IP地址并不容易记忆，因此有了域名，比如我们用www.baidu.com来表示百度的地址。
有了以上三种地址，再来说说相关的网络协议：
DNS(Domain Name System，域名系统)：该协议就像是个地址簿，负责域名->IP地址的查询。
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)，主要负责计算机接入网络时的初始化。计算机最初只有网卡的MAC地址，通过DHCP可以给它分配IP地址，并得到默认网关地址和DNS服务器的地址，有了这些东西，计算机就可以和外界进行通讯了。
ICMP(Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议)，它能够检测网路的连线状况，以保证连线的有效性。基于这个协议实现的常用程序有ping和traceroute。
IGMP(Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议)，负责IP组播成员管理。
ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)，服务于现在局域网中最流行的Ethernet协议。它负责解析远程主机IP地址对应的MAC地址。由于通常应用程序和目标计算机进行网络通讯时，提供的都是域名或IP地址，但对以太网来说，想要进行数据通信，需要知道对方的MAC地址。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol，反向地址转换协议)，它和ARP协议相反，负责MAC地址到IP地址的转换。目前该协议已被DHCP协议所取代，基本用不到了。
3. 数据传输过程
基本的数据传输过程图示如下：
上图可以简单地理解为，源主机和目的主机之间，通过若干路由器和交换机相连。那么对于LAN和WAN，数据传输过程有什么不同呢？分三种情况来介绍。
3.1 源主机和目的主机都在局域网内，通过交换机连接，采用常用的Ethernet协议
我们前面说过，Ethernet通过Mac地址直接通信。但是在通信最开始的时候，源主机只有目的主机的IP地址(私有IP地址，后面会解释)，但没有Mac地址，因此源主机会首先发起一个ARP请求去获得目标IP对应的MAC地址。源主机会缓存这个对应关系，下次继续给相同IP发消息的时候，就不需要重新发起ARP请求了。
无论是ARP请求还是普通数据包，都会先到达交换机。ARP是一个广播请求，交换机会将该ARP请求转发给所有的其他主机，目标主机收到该请求后，返回自己的MAC地址。有了目的主机的MAC地址后，源主机就可以通过交换机向目标主机发送数据包了。
交换机的工作过程如下：
(1) 收到某端口A，MAC地址为X的计算机发给MAC地址为Y的计算机的数据包，交换机记录下MAC地址X在端口A，该过程称为学习(Learning)。
(2) 交换机还不知道MAC地址Y在哪个端口上，于是向除了A以外所有的端口转发该数据包，这个过程称为泛洪(Flooding)。
(3) MAC地址为Y的计算机收到该数据包，向MAC地址X发出确认包。交换机收到该确认包后，记录下MAC地址Y所在的端口。
(4) 交换机向MAC地址X转发确认包，这一步称为转发(Forwarding)。
(5) 交换机收到一个数据包，查表后发现该数据包的来源地址与目的地址属于同一个端口，交换机将不处理该数据包。这个过程称为内过滤(Filtering)。
(6) 交换机内部MAC地址->端口的映射表，每条记录都使用时间戳记录最后一次访问的时间，访问时间早于某个阈值的记录将被清除。这个过程称为老化(Aging)。
3.2 源主机和目的主机都有公网IP地址，经过若干交换机和路由器相连
从上面数据传输示意图可以看出，路由器和交换机不太一样，交换机只需要知道MAC地址和端口号，但路由器需要知道源主机和目的主机的IP地址。路由器工作在网络层。
路由器可以拥有一部分交换机的能力，比如，如果发现请求是局域网内的话，也可以引入类似交换机那样的基于MAC地址的映射表实现高速通讯。但路由器因为涉及“最佳路由路径”的问题，总体上考虑的问题比交换机要复杂的多。路由器除了解决路由问题，往往还需要解决异构网络的封包转换问题。作为局域网的接入方，它可能走的是固网或WiFi网络；作为Internet的接入方，它可能走的是光纤宽带。所以路由器需要把局域网的数据链路层的封包解开并重组，以适应广域网数据链路协议的需求。
两台拥有公网IP的主机通讯过程大体如下：
(1) 首先，源主机发送数据包，经由交换机(可选)到达本局域网的公网网关(路由器)，该过程即局域网内部通信过程。
(2) 路由器收到数据包，发现目标主机是Internet上某个远端的目标主机，于是对数据包拆包重组，形成新的数据包。
(3) 根据自身的路由表，把这个新数据包层层转发，最后到达目标主机对应的公网网关(路由器)。
(4) (目标端)路由器发现是发给本局域网内的目标主机，于是再拆包重组，形成新的数据包。
(5) 新数据包转到局域网内，经由交换机(可选)最终到达目标主机。
3.3 源主机和目标主机至少有一方在局域网内且只有私有IP地址
首先说明一下私有IP地址。IPv4地址区间中有一些区段只用于局域网内的通讯，称为私有IP地址，这些区段包括：
10.0.0.0 - 10.255.255.255
172.16.0.0 - 172.31.255.255
192.168.0.0 - 192.168.255.255
只有私有IP而没有公网IP的主机，通常只能和局域网内的主机通讯，而无法和Internet上的其他主机相互通讯。但在我们的家庭中，往往是一个WiFi路由器连接公网，所有的家庭设备如手机、平板、网络电视，都以WiFi路由器为网关构成一个局域网，那这些设备是怎么上网的呢？
这就用到NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术。原理比较简单，假如源主机的IP和端口号是iAddr:port1，经过NAT网关后，NAT将源主机的IP地址换成自己的公网IP(eAddr)，并随机配一个端口(port2)，于是形成eAddr:port2，NAT网关再把该新的地址转发给iAddr:port1。即NAT网关临时建立了一个双向映射表：iAddr:port1 <=> eAddr:port2，这样，在该映射存续期间，eAddr:port2就变成了iAddr:port1的“替身”，这样，内网主机也就相当于拥有了公网IP，也就可以上网了。
除了作为公网网关的路由器，NAT网关也可以是局域网内任何一台有公网IP的主机。
