我们上网的瞬间经历里什么（网卡、集线器、路由器、交换机、DHCP、DNS、NAT、ARP）

我们上网的时候经历了什么？（码农翻身学习笔记）

我们用手机上网的时候，点开wifi，点开浏览器就算完成了，但其实背后隐藏（或者说是封装）了很多细节。
本文在很多地方参考了刘欣出版著作《码农翻身》和公共号：码农翻身的文章，可以看作是作者对文章的感悟和总结。

分层和协议

下面的表格就是我们上网背后经常会用到的东西。其中理想的标准是7层模型，但事实标准是四层模型。

或者看这个图

想要了解更多可以点击如下链接（目前以下文章还未完成，如果完成了本文会有更新）：

• 七层模型
• 四层模型
• TCP/UDP
• HTTP

从上网设备看上网过程

手机和电脑一样，可以视为我们上网的一个终端，它需要经过很多设备，才能访问到网络上海量的资源（或者说别人的服务器）

古老的集线器

集线器只会把受到的包广播到所有端口上，相当于把包裹复制很多份，再给每个PC都发，如下图所示：

然而再接到集线器上面的机器变多时，不仅效率低下，而且当多台PC同时发送数据的时候会出现冲突，解决的方法就是冲突的其中一方先发送数据，其他的在后面的一个随机时刻再进行发送。这样一旦接到集线器上的机器多了，效率就会严重下滑。

先进聪明的交换机

交换机在运行一段时间（一般来说很快）后就可以做到精准投递“包裹”。

交换机里有一张表，记录的是每个端口对应的MAC地址（Media Access Control ），每当某个端口发来一个数据报文的时候，他会记录下这个端口的MAC地址值，比如插在端口1上的PC1设备发来报文，他会记录下这个报文来源的地址：

端口号	MAC地址
端口1	E4-02-9B-E7-26-A7

然后再在这个表中找报文目标MAC地址对应的端口，如果没有找到就会以广播的方式转发报文（和交换机一样）

过了一段时间后端口4上的PC4也发了一报文给PC1会怎么样呢？

结果是：这报文不会广播，而是查表得到PC1MAC地址对应地端口后直接发给PC1，同时把端口4和PC4的MAC地址对应上，填在表格里：

端口号	MAC地址
端口1	E4-02-9B-E7-26-A7
端口4	AC-37-43-52-74-4A

E4:02:9B:E7:26:A7

这样经过一段时间后，接在同一个交换机上的设备就是“熟人”了。

但是当交换机上的某个端口上RJ45接口松掉，或者被拔开之后，那么这个端口对应行的记录就会消失，这是为了让新的设备能接到老的端口上。

总结：交换机不断更新自己的表格，这就像一个学习的过程，最后在交换机认识了每一个端口上的设备后，便不需要广播转发数据包，节省资源提升效率。

网卡的故事

DHCP

在PC1没有连上网络之前，PC1只有一个MAC地址（其实就是网卡的物理地址）当设备需要连接网络的时候，就需要DHCP服务器给PC1分配一个IP。

但是事实上DHCP服务器不知道PC1想要一个IP地址，这就需要PC1主动广播一个如下图所示的报文：

网卡需要把这个报文发送出去，但是网卡只在数据链路层工作，所以他把报文再封装了一次

当某个路由器（192.168.1.1）收到这个报文后，便知道PC1想要租用一个IP，然后就会回复报文说

“给PC1一个内网IP：192.168.1.2

网关路由器：192.168.1.1

DNS服务器：202.96.128.86“

随后PC1的网卡再广播一个确认租用192.168.1.2的报文，就算是连上局域网了。

ARP和DNS

ARP

刚才我们已经拿到PC1在内网的IP了，这个时候应该试着通过网关路由去访问互联网了。

然而网卡工作在数据链路层，现在只知道网关路由的IP地址，而不知道MAC地址，所以现在网卡还是不能给网关路由器发报文。

于是PC1广播了一个”问192.168.1.1的MAC地址是什么？“的报文，网关路由器接收到之后回应他”这个IP和这个MAC对应：192.168.1.1 <—> D0-FC-CC-CA-86-D8“，随后PC1记录下这条信息，等下PC1需要发送报文给192.168.1.1时，便可以直接让网卡把报文发送到D0-FC-CC-CA-86-D8。

这就是ARP协议

DNS

现在PC1与网关路由终于在交流上畅通无阻了，然后PC1打开Chrome，输入www.baidu.com，网卡便把PC1想要浏览百度的报文发给网关路由器，但是网关路由器可不懂这个域名，他只知道IP地址和MAC地址，于是网关路由器转发给DNS服务器，并返回一个百度的IP地址，比如14.215.177.39（由于ww.baidu.com使用了nginx负载均衡，所以不同时间/机器访问百度时，返回的IP不一定相同，但是他们的内容是一致的）之后PC1和百度就可以基于IP地址进行通讯。

真实的情况是：PC1直接发报文给DNS服务器（202.96.128.86），但是必须经过网关路由器（192.168.1.1）的转发，最后DNS服务器（202.96.128.86）回复PC1百度对应的IP地址（14.215.177.39），然后PC1就可以通过这个IP地址访问百度。

这就是DNS协议

从PC1到DNS服务器的图示

网关路由器

上述讨论已经让我们明白PC1需要访问互联网就必须经过网关路由器，那么一个网关路由器里面连着多个终端设备，要怎样才能让他们同时上网呢?

网关路由器只有一个公网IP，但是网关路由器连着成千上万的终端设备，如何让他们共享这一个IP是一个问题。

NAT（网络地址转换）

网关路由器本身是一个DHCP服务器，给连到网关路由器的的终端设备一个内网IP。然后为了让所有内网上的设备能公用公网IP访问互联网上的海量资源，就需要NAT（网络地址转换）

以PC1访问百度为例：

PC1发送GET请求报文到百度的服务器上，如下图所示：

百度会在收到请求后反回自己主页给PC1，但是百度可不知道什么是192.168.1.2，所以需要从PC1到百度的服务器（14.215.177.39）之前，在经过网关路由器的时候，网关路由器把这个报文的源地址给改了：

把源地址192.168.1.2:3345改成61.52.247.112:2001

然后再接收GET请求返回的百度主页时，如果网关路由器从61.52.247.112:2001收到数据包，就会转发给192.168.1.2:3345，这样就就实现了一个公网IP多终端使用。

而在网关路由器上会生成一张表，记录下公网和内网对应的IP和端口号

WAN端	LAN端
61.52.247.112:2001	192.168.1.2:3345

协议总结

协议	作用
DHCP	给局域网上的终端动态分配（可以理解为出租）内网IP地址
DNS	域名解析，例如把www.baidu.com解析为14.215.177.39
NAT	从内网IP:端口与网关路由器IP:端口之间进行映射，如：192.168.1.2:3345<->61.52.247.112:2001
ARP	内网IP与MAC地址之间的映射 ，如：192.168.1.1 <-> D0-FC-CC-CA-86-D8