网络通信简明教程

通信是互联网的基本功能，不管你是浏览网页，还是播放视频，或者下载软件，只要你使用计算机，就必然离不开网络。你能在手机、电脑上看到这篇文章，这本身就借助了网络。网络将你和别人的计算机连接在一起，构成了一张复杂的 Internet。

图 1 网络通信
网络所要解决的问题只有一个，就是数据传输，包括：

• 局域网内的数据传输，比如你将文件传输给公司内部的打印机；
• 局域网和广域网的数据传输，比如你访问 C语言中文网、观看 B 站视频等；
• 不同局域网之间的数据传输，比如你和异地恋的女朋友视频通话。

以上三种数据传输方式，复杂度依次递增，并且后面一种要依赖于前面一种。

这本 mini 电子书会从最简陋的网络开始讲起，然后逐步深入，直到讲明白最复杂的不同局域网之间的通信。

网线

两台计算机之间，只需要用一根网线把它们的网口（网线接口）连接起来，就能互相通信。

图 2 一根网线连接两台计算机
我们知道，所有的数据在计算机中都是以二进制形式（0 和 1）存储的，两台计算机通信时传输的也是二进制数据。和电线类似，网线也是通过电流来传输数据的，并且通常用电压的高低来分别表示 0 和 1，从而将二进制数据传输给对方。

假设图 2 中的 A 向 B 发送数据，A 机器的网卡会将数据包转换成电信号，电信号通过网线就可以传送给 B 机器。B 机器的网卡接收到电信号后，会将其还原成二进制数据。

同样的道理，如果三台计算机各有两个网口，那么可以使用三根网线为它们建立通信，如下图所示：

图 3 三根网线连接三台计算机
随着计算机的数量越来越多，除非每台计算机都预留出足够数量的网口，否则无法为它们全部建立通信。理论上讲计算机可以扩展出很多个网口，但实际我们使用的计算机只有一个网口，一些高端的计算机（服务器）可能会预留两个及以上的网口。

集线器

为多台计算机建立通信，人们想到的解决方法是：用网线将所有计算机和一台设备连接起来，此设备负责转发数据。例如：

图 4 集线器
如图 4 所示，所有计算机没有直接建立通信，而是全部连接到中间的这台设备上，称为集线器（简称 Hub）。

接收到数据包的集线器，会把数据包转发给网络中的其它计算机。比如上图中，集线器接收到 A 机器发送的数据包后，会将数据包转发给 B、C、D、E。也就是说，集线器并不能“精准”地转发数据，原本机器 A 只想和 B 通信，集线器却把数据包转发给网络中的所有机器，这就出现一个问题：各个结点接收到数据包后，如何判断是别人发送给自己的呢？

答案是 MAC 地址。每台计算机都有一个唯一的标识，叫作 MAC 地址。计算机出厂时，MAC 地址已经被写死到网卡里面了，每台计算机的 MAC 地址都是不一样的。

假设 A 机器的 MAC 地址为 aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa，B 机器的 MAC 地址为 bb-bb-bb-bb-bb-bb。当 A 机器向 B 机器发送数据时，数据包中会同时附带 A 和 B 的 MAC 地址，如下图所示：

图 5 附带 MAC 地址的数据包
当 B 机器接收到数据包后，根据 MAC 信息就可以判定是发给自己的，于是收下数据。同样其它机器接收到数据包后，根据 MAC 信息判定不是发送给自己的，于是丢弃数据。下图演示了机器 A 向 B 发送数据的整个过程：

图 6 A发数据给B
和网线相比，集线器大大简化了计算机之间建立连接的复杂度，降低了硬件成本，计算机的数量越多，集线器的优势越明显。

当然集线器也有不足之处，比如：

• 原本只发给一台计算机的数据，集线器会转发给网络内的所有计算机。这种情况下，如果有多台计算机同时向集线器发送数据包，数据的转发就会产生冲突（碰撞），严重时会导致数据传输失败；
• 集线器“无脑地”将数据转发给所有机器，数据的安全性很难得到保证。例如，有些流氓软件和木马病毒会拦截发送给其它机器的数据包，窥探其它机器之间的通信。

  交换机

  集线器浪费网络资源，数据传输的速率也不高，逐渐淡出了市场，被一些高性能的设备所取代，比如交换机。
  

图 7 交换机实现网络通信
上图演示的就是交换机传输数据的过程，它可以做到将数据包精准地转发给目标机器。

交换机拥有多个端口，每个端口都可以连接一台计算机。为了实现精准转发，交换机内部维护着一张表格，主要记录每台计算机的 MAC 地址和它占用的网口号，通常称为 MAC 地址表。

例如下图中的交换机有 6 个网口，连接着 4 台计算机，每台计算机的 MAC 地址和占用的网口号都记录在 MAC 地址表中：

图 8 交换机内部维护的表格
每当交换机接收到数据包后，通过内部维护的 MAC 地址表可以查出目标机器占用的网口号，进而将数据通过指定网口转发给目标机器。

初始状态下，交换机内部的 MAC 地址表是空的。下图中的机器 A 通过 4 号网口连接交换机，机器 B 通过 1 号网口连接交换机，图中演示了 MAC 地址表建立的过程：

图 9 MAC 地址表建立的过程
整个过程是：

• 当机器 A 发送的数据包进入交换机后，交换机的 MAC 地址表中会记录下 A 的 MAC 地址和占用的网口号；
• MAC 地址表没有和 B 相关的信息，因此交换机会像集线器那样将数据包转发给除 A 外的所有机器；
• 机器 B 收到数据包后，确认数据是 A 发给自己的，于是收下数据并向 A 回传一份响应数据；
• 响应数据包进入交换机后，交换机会记录下 B 的 MAC 地址和占用的网口号；
• 通过查询 MAC 地址表，交换机会将响应数据包通过 4 号网口发送给 A。

随着网络中的机器相互通信，交换机内部的 MAC 地址表最终会建立完整。

基于交换数据包方式构建小型网络的技术称为以太网技术。以太网是一种组建网络的技术，该技术构建的小型网络称为局域网（LAN）。以太网是现阶段最常用的一种局域网技术。

一台交换机的网口数终究是有限的，随着计算机数量的增加，很可能要用多台交换机才能为所有机器建立通信，如下图所示：

图 10 多台交换机相互连接
图 10 中有两台交换机，它们内部维护的 MAC 地址分别是：

注意表格中标红的部分，交换机之间并非只记录一条信息，而是要记录对方网络中所有机器的信息。

路由器

为少量计算机搭建通信网络，交换机还是不错的选择，但如果是几万、几十万甚至更多的计算机，用交换机为它们构建局域网就会存在很多弊端，比如：

• 网络中的每台交换机都需要维护大量的 MAC 地址，疲于应付；
• 当网络中的计算机频繁通信时，很容易发生广播风暴，严重时会导致网络瘫痪。所谓广播风暴，指的是由于某些原因（网卡损坏、网络设备误用、网络病毒等）导致网络中存在大量无用的数据包，占用着大量的网络资源，正常的数据包也无法在网络中有效传送，网络设备也会因高负荷运转而受到影响。

路由器也是一种包含多个网口、能转发数据的设备，和交换机不同的是，路由器的每个网口都有独立的 MAC 地址。

例如下图中，两台交换机没有直接相连，而是连接到一台路由器上：

图 11 路由器连通两个局域网
路由器能有效缓解交换机对网络造成的影响：

• 对于跨交换机发送数据的情况，交换机 A 的 MAC地址表中只需要记录 “路由器 MAC 地址 ABAB ~ 3号网口” 这条信息即可，而不需要记录 C、D 相关的信息。同样，交换机 2 也是如此。
• 路由器可以缩小广播风暴的影响范围。比如交换机 1 所在的局域网发生广播风暴，不会影响交换机 2 所在的局域网。

交换机转发数据凭借的是 MAC 地址，而路由器转发数据凭借的是 IP 地址。IP 地址是 Internet Protocol Address 的缩写，译为“网际协议地址”。目前 IP 地址有两个版本，分别是 IPv4 和 IPv6 地址。

IPv4 本质是一个 32 位的二进制数，例如：

11000000101010000000000000000001

通常我们会将它等分为 4 份，中间用.分割，各部分再转换为十进制数：

11000000.10101000.00000000.00000001 <—> 192.168.0.1

从理论上讲，IPv4 地址一共有 232 - 1 ≈ 43 亿个，看似是一个很大的数字，但对于全世界 70 多亿人而言，IPv4 地址简直少得可怜。为了缓解 IPv4 资源枯竭的问题，人们设计了 NAT 技术（后续会讲），甚至提出用 IPv6 地址取代旧的 IPv4。IPv6 地址由 128 位二进制数组成，数量庞大到可以为地球上的每一粒沙子都分配一个 IPv6 地址。

其实早在 2021 年 IPv4 地址就已经枯竭了，凭借 NAT 技术才苦苦支撑到了今天。目前大部分软件仍在使用 IPv4 地址。IPv6 地址正在被人们接受，尤其是在教育网中已经大量使用。IPv6 将逐渐取代 IPv4，后者终有一天会埋没在历史的长河里。不过 IPv6 地址比 IPv4 复杂地多，接下来讲解网络知识仍使用 IPv4 地址（简称 IP 地址）。

局域网中的每台计算机既有唯一的 MAC 地址，也有唯一的 IP 地址；路由器的每个端口既有唯一的 MAC 地址，也有唯一的 IP 地址。MAC 地址一般是无法修改的，而 IP 地址可以手动修改。

为了方便讲解路由器转发数据的过程，我们先为图 11 中的设备添加上 IP 地址，如下图所示：

图 12 为计算机和路由器添加 IP 和 MAC 地址
路由器的存在，使得交换机的 MAC 地址表中不再需要记录网络中所有机器的信息，例如图中的交换机 1 就不需要记录 C、D 的信息。在这样的网络中传输数据，数据包中除了要携带 MAC 地址，还要携带 IP 地址。

比如图 12 中的机器 A 向 C 发送数据，传入路由器的数据包如下图所示：

图 13 机器 A 将数据发送给路由器
路由器发给机器 C 的数据包如下图所示：

图 14 路由器将数据发给 C
仔细观察两个数据包会发现，IP 部分是不变的，记录的一直都是源机器 A 和目标机器 C 的 IP 地址；MAC 地址是变化的，记录的分别是发送和接收数据包的设备。

接下来我们以图 12 中的机器 A 向 C 发送数据为例，通过讨论以下几个问题，帮大家梳理数据在网络中的传输过程。

1) A如何判断数据是否要发给路由器？

如果 A 向 B 发送数据，数据包可以直接经交换机转发给 B，不需要发送给路由器；如果 A 向 C 发送数据，A 必须先将数据包发送给路由器，再由路由器转发给 C。也就是说，不同的机器之间通信，有时需要将数据包发送给路由器，有时就不需要，那么机器是如何判别两种情况的呢？

答案是子网。要想搞清楚什么是子网，还需要对 IP 地址有深层次地了解。

类似我们的身份证号，每一段都具有不同的含义，IP 地址其实是由以下两部分构成的：

IP 地址 = 网络号 + 主机号

网络号和主机号一共是 32 位二进制数，它们各自占用的二进制位数不是固定的。

所谓子网，指的是一个局域网内所有 IP 网络号相同的机器组成的网络。例如图 12 的局域网内就包含两个子网：

图 15 子网
子网 1 内所有机器的 IP 网络号都是 192.168.0，子网 2 内所有机器的 IP 网络号都是192.168.1。

对于通信的两台机器，发送数据包之前要先判断它们是否同处一个子网，以此决定数据包是否由路由器转发。那么，网络中是如何划分子网的呢？答案是借助子网掩码。

和 IP 地址类似，子网掩码也是一个 32 位的二进制数，它是专门用来划分子网的。子网掩码从不单独存在，它只和 IP 地址搭配使用。

一台机器要想通信，必须同时具备 IP 地址和子网掩码。通过对 IP 地址和子网掩码做按位与运算，就可以轻松得到 IP 地址中的网络号，进而判断出它所处的子网。例如，我们为图 15 中的每台机器设置子网掩码为 255.255.255.0，如下图所示：

图 16 子网掩码
如果 A 向 B 发送数据，首先将 A 和 B 的 IP 地址分别与 A 机器的子网掩码做按位与运算：

A 机器 IP & A 机器子网掩码：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0 B 机器 IP & A 机器子网掩码：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0

计算出的结果相同，表明 A 和 B 同处一个子网，A 机器会将数据包发给交换机 1，再由交换机转发给 B。

如果 A 向 C 发送数据，首先将 A 和 C 的 IP 地址分别与 A 机器的子网掩码做按位与运算：

A 机器 IP & A 机器子网掩码：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0 C 机器 IP & A 机器子网掩码：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

计算出的结果不同，表明 A 和 C 处于不同的子网，A 机器会将数据包发给路由器，由路由器转发给 C。

注意，计算机的 IP 地址和子网掩码都是由 32 位二进制数组成的，理论上它们可以是0.0.0.0 ~ 255.255.255.255之间的任意一串数字，但事实并非如此。全世界需要联网的设备太多了，而 IP 地址的数量远远小于前者，为了合理分配 IP 地址，避免浪费，所有的 IP 地址被分为以下几类：

各个 IP 分类中，在保证最低网络号位数的前提下，可以根据实际需求指定更多的二进制位作为网络号，从而可以组建更多数量的局域网。相应地，主机号的位数就会减少，网络中可容纳的机器个数会减少。

举个简单的例子，如果网络中的机器数量预计最多 100 台，那申请 C 类 IP 地址是最合适的，申请 A 和 B 类就会浪费大量的 IP 地址。

在图 16 的两个小型网络中，它们各自申请得到的是 192.168.1.xxx 和 192.168.0.xxx 这两个 C 类 IP 地址，使用的是默认子网掩码 255.255.255.0。每个小型网络中最多可以包含 256 台机器，必要时通过修改子网掩码，可以将 256 台机器划分成多个子网。

通常情况下，计算机会自动配置好 IP 地址和子网掩码，整个实现过程和 DHCP 协议有关。DHCP 全称动态主机配置协议，专门负责为局域网内的计算机分配 IP 地址和子网掩码。关于 DHCP 协议，大家简单了解即可，这里不再展开讲解。

2) 机器A怎样在网络中找到路由器？

当通信双方处于不同的子网时，源机器会将数据包发给路由器，再由路由器转发给目标机器。可是网络中的机器这么多，源机器是怎样找到路由器的呢？

答案是通过默认网关。默认网关（Default Gateway）又叫缺省网关，其实就是当前局域网中路由器的 IP 地址，网络中的每台计算机都必须记录这个地址。

图 17 默认网关
图 17 中 A 向 C 发送数据时，由于它们处于不同的子网（通过子网掩码判定），因此 A 会将数据包发送给以默认网关为 IP 地址的路由器。

3) 路由器怎样找到目标机器？

一台路由器有多个网口，每个网口都可以连接一个局域网。接收到数据包的路由器，必须先判定出目标机器所在局域网占用的网口号，才能将数据包转发出去。

仍以机器 A 向 C 发送数据为例，图 13 为 A 向路由器发送的数据包，包中记录的目标 MAC 地址是路由器的，只有 IP 地址是 C 的。路由器接收到数据包后，会从包中找到目标机器的 IP 地址，根据该地址判定出目标机器所在的局域网。

和交换机类似，路由器的内部也维护着一张表格，记录着各个网络占用的网口号，通常称为路由表。路由器中的路由表是通过一些算法建立的，比如向量-距离算法、链路-状态算法等，这里不再对这些算法展开介绍，只需要知道路由表是通过某些算法建立的，这就足够了。

例如，图 17 中路由器维护的路由表类似下面这样：

通过将目标地址和子网掩码做按位与运算，就可以判定目标机器所处的子网。所谓下一跳地址，当网络中有多个路由器相连时，数据包可能途径多个路由器，这时才会用到下一跳地址，后面会通过一个实例讲解它。

很多书籍和教程中还喜欢这样表示路由表：

/xx表示用 IP 地址中的前 xx 位二进制数为网络号，例如 192.168.0.0/24 指的是前 24 位二进制数为网络号，也就是 192.168.0。

通过路由表得知，子网 192.68.0.xxx 占用着路由器的 0 号网口，子网 192.168.1.xxx 占用着路由器的 1 号网口。仍以机器 A 向 C 发送数据，数据包的整个传送过程如下图所示：

图 18 机器 A 向 C 发送数据的全过程
用文字描述一下数据包的整个传送过程：

• A 向 C 发送数据，借助子网掩码判断出它们处于不同的子网，因此 A 会将数据发送给默认网关，也就是路由器。发送数据包之前，A 机器必须先通过 ARP 协议获得路由器的 MAC 地址并存入数据包中，才能将数据包发出；
• 数据包首先经过交换机 1，根据数据包中的目标 MAC 地址，在 MAC 地址表中查到路由器 1 占用的网口，将数据包从该网口转发给路由器；
• 接收到数据包的路由器会做两件事，首先是获取包中的目的 IP 地址，借助路由表查到机器 C 所在局域网占用的是 1 号网口；然后再通过 ARP 协议获得机器 C 的 MAC 地址并作为目的 MAC 地址更新到数据包中，最后将数据包从 1 号网口发出；
• 交换机 2 接收到数据包后，根据数据包中的目的 MAC 地址，从 MAC 地址表查到机器 C 占用的网口号，于是从该网口将数据包发给 C；
• 机器 C 收到数据包后，发现此数据确实是发给自己的，于是收下了数据。

整个过程中，大家比较困惑的应该只有 ARP 协议，无论 A 向路由器发送数据包，还是路由器将数据包转发给 C，都用到了这个协议。ARP（Address Resoloution Protocol）全称地址解析协议，专门根据目标机器的 IP 地址获取它的 MAC 地址。

我们知道，交换机是通过 MAC 地址传输数据的，但多数情况下，通信双方只知道对方的 IP 地址而不知道 MAC 地址。例如图 18 中 A 和 C 位于不同的子网，因此 A 必须先将数据包传输给默认网关，此时就只知道路由器的 IP 地址。这种情况下，借助 ARP 协议就可以找到对方的 MAC 地址。

简单理解 ARP 协议，同一局域网内的每台计算机（包括路由器）都维护着一张表格，用来记录其它机器 IP 地址和 MAC 地址的对应关系，通常称为 arp 表。

以图 18 中的机器 A 为例，起初维护的 arp 表是空的。为了知道路由器的 MAC 地址，A 会在局域网内发送一条 arp 请求，路由器接收到请求后会回传给 A 一条响应信息，信息中附带自己的 MAC 地址。收到响应信息后，机器 A 会将路由器的 IP 地址和 MAC 地址（192.168.0.254 : ABAB）存放在自己的 arp 表中，以便下次通信时使用。

关于路由表中的下一跳地址，通过一个实例了解它的用法：

图 19 机器A向F发送数据
图中有两个路由器相互连通，假设机器 A 向 F 发送数据，数据包要途径两个路由器后才能到达 F，这种情况下就需要用到路由表中的下一跳地址。以路由器 1 为例，路由表为：

机器 A 向 F 发送数据的整个过程是：
1) 机器 A 的 IP 地址为 192.168.0.1，机器 F 的 IP 地址为 192.168.2.2。机器 A 的子网掩码为 255.255.255.0，分别和两个 IP 地址做按位与运算，计算出的结果不同，证明 A 和 F 位于不同的子网。因此机器 A 将数据包转发给默认网关，也就是路由器 1。

通过 ARP 协议获得路由器 1 的 MAC 地址是 ABAB，因此机器 A 发出的数据包为：

数据包会途径交换机 1，借助交换机内部的 MAC 地址表，可以查到路由器 1 占用着交换机的 3 号网口，交换机 1 会将数据包从 3 号网口转发给路由器 1。

2) 接收到数据包的路由器 1，从路由表中查找到目标 IP 对应的下一跳地址为 192.168.100.5。这种情况下，路由器 1 会做两件事：
①：再次去路由表中查找 192.168.100.5 所在子网对应的网口号，结果为 3 号；
②：借助 ARP 协议查找 192.168.100.5 对应的 MAC 地址，也就是路由器 2 的 MAC 地址 D2D2，然后更新数据包，如下图所示：

更新后的数据包会从 3 号网口转发给路由器 2。

3) 接收到数据包的路由器 2，从路由表查找目标 IP 所在子网占用的网口号（假设为 1 号网口）。

借助 ARP 协议找到 192.168.2.2 对应的 MAC 地址是 FFFF，然后更新数据包，如下图所示：

更新后的数据包会从路由器 2 的 1 号网口转发给机器 F。

数据包会途径交换机 3，通过在 MAC 地址查找目标 MAC 地址 FFFF 占用的是 6 号网口，交换机 3 会从 6 号网口将数据包转发给机器 F。

4) 最终，机器 F 收到了机器 A 发给它的数据包。

下图给大家演示了 A 向 F 发送数据的整个过程：

图 20 机器 A 向 F 发送数据

因特网中的机器如何通信？

“网络”的定义是比较宽泛的，小到两台计算机之间的通信，大到世界上所有计算机之间的通信，都可以称为网络。根据地域覆盖范围的大小，可以将网络细分为以下三种：

• 局域网（LAN）：覆盖方圆几千米以内的网络，比如公司网络、家庭网络、网吧网络等；
• 城域网（MAN）：更大型的局域网，覆盖范围可以达到几十千米，数据传输的实现技术和局域网类似，比如覆盖一个城市的网络；
• 广域网（WAN）：覆盖地域最大，从几十千米到几万千米，可以覆盖一个或几个国家、一个或几个洲。因特网（互联网）就是典型的广域网。

  局域网和城域网、城域网和广域网之间没有明显的界限。

通过前面的讲解，我们已经清楚了局域网内的机器如何相互通信，接下来把网络范围扩大，看看因特网中的机器是如何通信的。

在同一个局域网内，任意两台机器的 IP 地址都不能相同，否则会发生 IP 地址冲突，导致两台机器都无法正常连通网络。但是在因特网里的多个局域网中，可能存在 IP 地址相同的多台机器，它们不仅不相互冲突，还能正常连网通信。

举个简单的例子，你和隔壁小伙伴在各自的家里上网，你的 IP 地址是 192.168.1.2，隔壁小伙伴的 IP 地址也是 192.168.1.2，甚至全世界有几百万台电脑的 IP 地址都是 192.168.1.2，这些设备不会相互冲突，都能上网通信。

前面提到 IPv4 地址是不够用的，为了缓解 IP 地址的分配压力，把 IP 地址分成了 A、B、C、D 和 E 共 5 类。不仅如此，A、B 和 C 类中还各自包含一些特殊的 IP 地址：

• A 类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
• B 类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
• C 类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

这些 IP 地址规定只允许在局域网内部使用，称为私网 IP 地址；相对地，其它 IP 地址称为公网 IP 地址。

私网 IP 和公网 IP 的区别有很多，比如：

• 私网 IP 只能在局域网内部使用，在广域网中是不被承认的；公网 IP 在广域网使用。
• 私网 IP 可以在不同的局域网内重复使用；公网 IP 在全世界是唯一的。
• 私网 IP 的通信范围仅限在局域网内部；公网 IP 可以和因特网内的任意机器通信。
• 公网 IP 由互联网服务提供商（简称 ISP，比如移动、电信、联通）分配，而私网 IP 地址由路由器分配。
• 公网 IP 地址是收费的，而私网 IP 地址可以免费使用。

私网 IP 地址是无法用来在因特网上通信，这就引出一个问题，你和隔壁小伙伴使用的都是私网 IP 地址，为什么可以上网通信呢？

答案是利用 NAT 技术。NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种将私网 IP 和公网 IP 相互转换的技术，通常实现在路由器上，称为 NAT 路由器。

NAT 路由器至少要分配 1 个公网 IP 地址，局域网内的机器要想和外网通信，必须先借助 NAT 技术将私网 IP 地址转换为公网 IP 地址；同样的道理，外网机器要想和局域网内的机器通信，也必须先借助 NAT 技术将公网 IP 地址转换为私网 IP 地址。

接下来，通过两个实例讲解因特网中机器通信的过程。

实例1：局域网机器访问外网服务器

假设本文发布在C语言中文网上，处于某个局域网内的你之所以能阅读本文，是因为你的浏览器向C语言中文网服务器发送了请求，随后服务器做出了响应并将文章数据回传给了你的浏览器。

需要注意的是，即便计算机有了 IP 地址和 MAC 地址，也仍然不能进行通信。原因很简单，一台计算机可以同时提供多种网络服务，比如 Web 服务（网站）、FTP 服务（文件传输服务）、SMTP 服务（邮箱服务）等，仅有 IP 地址和 MAC 地址，数据包虽然可以找到目标计算机，但目标机器不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以通信失败。

为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（Port Number）。端口号是 0~65535 之间的十进制数，一些常见的端口号有：

• Web 服务的端口号是 80；
• FTP 服务的端口号是 21；
• SMTP 服务的端口号是 25。

端口（Port）是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门，数据通过这道门流入流出，每道门有不同的编号，就是端口号。如下图所示：

图 21 端口

前面在讲交换机和路由器的时候，虽然没有提及端口知识，但传输的数据包中也会记录通信双方的端口号，最终用端口号来确定将数据包发送给机器里的哪个网络程序。

在下图中，假设你使用机器 A 访问外网的 C 语言中文网服务器，服务器的端口是 80，机器 A 中想访问服务器的网络程序的端口是 1025。

图 22 局域网内机器访问外网服务器
数据包在网络中的传输过程是：
1) C语言中文网的域名是 c.biancheng.net，通过 DNS 服务可以找到域名对应的 IP 地址，假设为 202.108.22.5。

DNS 是一种免费、快速、公共的互联网服务，它就像一个巨大的电话簿，记录着域名和 IP 的对应关系。如果你想访问某个网站，你需要先知道它的域名，然后通过 DNS 服务找到域名对应的 IP 地址；只有知道了 IP 地址，你才能将请求发送出去。

言外之意就是，网络通信是基于 IP 地址的，而不是基于域名的。域名只是一种助记符，IP 地址才是真正的“门牌号”。

你在浏览器中直接输入域名就能访问网站，是因为浏览器在后台帮助你完成了 DNS 转换过程。

2) 由于服务器的 IP 地址为 202.108.22.5，和机器 A 不在同一个子网，因此机器 A 会将请求数据包发送给默认网关（此过程会通过 ARP 获取到默认网关的 MAC 地址），也就是图中的 NAT 路由器。发送的数据包如下图所示：

图 23 将数据包发送给默认网关
3) 接收到数据包的 NAT 路由器，会启动 NAT 技术将数据包中的源私网 IP 地址转换为公网 IP 地址，同时用一个新的端口号替换源端口号。NAT 路由器会将「源私网 IP + 端口号」和「公网 IP + 新端口号」的对应关系保存到一张表中，称为 NAT 转换表：

图 23 的数据包经过 NAT 路由器加工后，会变成下图这样：

图 24 NAT路由器发出的数据包
图中的下一跳指的是下一个路由器的 MAC 地址，数据在广域网中可能会经过多个路由器转发，过程中数据包的源 MAC 地址和目标 MAC 地址会不断变化，但源 IP 和目标 IP 是不变的。

4) 数据包经过多次转发，最终会到达C语言中文网的服务器。通过数据包中的目标 IP 地址和目标 MAC 地址，服务器确认数据包是发给自己的，于是收下数据并发送一个响应数据包。

5) 响应数据包在网络中的传送过程就是请求数据包的逆过程。起初的响应数据包如下图所示：

图 25 服务器发出的响应数据包
注意观察，数据包中的目标 IP 地址并不是机器 A 的，而是默认网关的，同样端口号也是如此。也就是说，对于服务器而言，它只知道是机器 A 的默认网关在和它通信，而不知道是机器 A。

6) 数据包在经过多个路由器转发后，最终会到达 NAT 路由器。NAT 路由器会启动 NAT 技术，根据 NAT 转换表将「目标 IP + 端口号」转换为「源私网 IP + 端口号」，再根据 arp 协议更新目标 MAC 地址，最终转发出去的数据包为：

图 26 局域网内的响应数据包
7) 剩下的工作就是在局域网内传输数据了，根据数据包中的目标 IP 和 MAC 地址，最终就能回传给机器 A。

实例2：不同局域网内的机器相互通信

图 27 两个局域网内的机器相互通信
上图中有两个局域网，「A、B 和路由1」同属一个局域网，而「C、D 和路由2」同属另一个局域网。如果我们希望让 A 和 D 之间进行通信，该怎么做呢？

为了找到解决方案，我们必须首先明确一点：

公网（Internet）计算机无法直接向局域网内部的计算机传输数据，它必须先传输给 NAT 路由，然后再由 NAT 路由转发给局域网内部的计算机。

A 和 D 的通信要经过公网，这意味着：A 只能向 NAT 路由2传输数据，D 只能向 NAT 路由1传输数据。

但是，这个时候尴尬的问题出现了，就是我们不知道两台路由器的 IP 地址和端口号，通信失败！

拿到对方计算机的 IP 和端口号，是网络通信的前提。从某种角度来讲，网络通信就是向某个 IP 和端口号发送数据。

我们不妨思考一下【实例1】，C语言中文网服务器是如何知道 NAT 路由的 IP 和端口的呢？很简单，只要局域网内部的计算机访问一下服务器，服务器就能拿到 NAT 路由的 IP 地址和端口号（临时的）。

所以我们只要在公网中额外放置一台服务器，让 A 和 D 都访问这台服务器，然后获得 NAT 路由的 IP 和端口号，就能让 A 和 D 之间进行通信了。

你看，绕来绕去，不同局域网中的计算机并不能直接通信，必须要有一台公网服务器牵线搭桥，让它们之间“勾搭”上。只有“勾搭”完了以后，它们之间就能直接发送数据了，就不需要公网服务器了。

你和异地恋的女友之所以能 QQ 视频，是因为你们在登录 QQ 时都会访问腾讯的服务器，服务器会记录你们的 NAT 路由信息，当你们之间想发起视频时，服务器只需要告知对方的 NAT 路由信息就可以了。

最后，我们再来梳理一下通信细节。假设访问公网服务器以后，A 和 D 的 NAT 路由信息如下所示：
表：路由 1 的NAT转换表

表：路由 2 的NAT转换表

我们以 A 向 D 发送数据包为例，数据包在网络中的传输过程是：

1. A 将数据包发送给 D 的默认网关，也就是路由 2。数据包中的目标 IP 地址为 200.20.20.0，端口号为 3333。
2. 数据包经过路由 1 时，数据包中的源 IP 地址和端口号被分别转换为 200.10.10.0 和 2222；
3. 经过因特网中多个路由器的转发，数据包最终会到达路由 2；
4. 路由 2 根据数据包中记录的目标 IP 地址和端口号，判断数据包确实是发送给当前局域网内某台机器的，于是收下数据包并根据 NAT 转换表将包中的目标 IP 地址和端口号分别转换为 192.168.1.4 和 1025；
5. 数据包达到 D 所在的局域网内部后，根据 IP 地址和 MAC 地址就可以找到机器 D。

反过来，D 向 A 发送数据包也是类似的流程。

在实际场景中，为不同局域网内的机器建立通信的过程可能更加复杂，感兴趣的读者可以自行研究 NAT内网穿透技术。

总结

本文分别从网线直连（包括集线器）、交换机和路由器的角度讲解了数据在网络中的传输细节，接下来再给大家从计算机、交换机和路由器的视角总结一下。

计算机视角：

• 必须知道目标机器的 IP 地址和端口号。当通信双方位于不同的局域网时，需要借助第三方服务器得知对方默认网关的 IP 地址和端口号；
• 借助子网掩码，判定是否和对方同处一个子网：
  • 若同处一个子网，通过 ARP 协议直接获得对方的 MAC 地址，数据包通过交换机转发给对方；
  • 若位于不同的子网，通过 ARP 协议获得当前局域网中默认网关的 MAC 地址，数据包通过默认网关转发给对方。

交换机视角：

• 接收到的数据包必须包含目标机器的 MAC 地址；
• 在 MAC 地址表中查询目标机器占用的网口号，若查询成功，直接将数据包通过指定网口发送给目标机器；若查询失败，将数据包从所有网口发送出去。

路由器视角：

• 接收到的数据包必须包含目标机器的 IP 地址；
• 借助路由表中记录的信息，要么找到目标机器所在子网占用的网口号，将数据包通过该网口转发出去，要么找到目标机器 IP 地址对应的下一跳地址，将数据包转发到下一个路由器。

  【扩展】OSI 和 TCP/IP 模型

  如果你读过计算机专业，或者学习过网络通信，一定听说过 OSI 模型，它曾无数次让你头大。OSI 是 Open System Interconnection 的缩写，译为“开放式系统互联”。

OSI 模型把网络通信的工作分为 7 层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如下图所示：

图 28 OSI模型和 TCP/IP 模型
实际上，本节讲到的数据包借助网线（集线器）、交换机和路由器传输的过程，就分别对应 OSI 模型的物理层、数据链路层和网络层，每一层各司其职，相互配合，共同完成网络通信。网线和集线器属于实现物理层功能的设备，交换机是一种实现数据链路层功能的设备，路由器是一种实现网络层功能的设备。

在 OSI 模型中，真正负责实现网络通信的是下三层。

OSI 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对 OSI 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层，这就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型。