同网段和不同网段设备通信原理详解

Posted 2020-11-10 duan2

在当今的以太网络通信中，在IP数据包中有两个必不可少的地址，那就是IP地址和网卡地址（即MAC地址），在数据包中，无论是IP地址还是MAC地址，都有源地址和目标地址，因为通信是双方的，所以就必须同时拥有双方的地址！在同一IP网络中通信，将会发生以下事件：

　　主机A与主机B通信，这时主机A肯定首先要封装这些需要发给主机B的数据包，那么对于主机A来说，自己的IP地址和MAC自己肯定能够轻易得到，对于主机B的IP地址这时主机A也应该知道，要不然它就不清楚自己将要和谁通信，当有了自己的IP地址，MAC地址以及主机B的IP地址后，主机A在数据包中可以正确地写上源IP地址，目标IP地址，接下来的工作就是写入自己的MAC地址（即源MAC），最后还必须正确写入目标主机B的MAC地址，可这时主机A才发现自己根本没有目标主机B的MAC地址，那该怎么办呢？这时主机A就通过比较上面已经封装好的源IP和目标IP，通过子网掩码计算一下，发现源IP和目标IP恰好在同一个IP网络内，那么它想要得到目标主机B的MAC地址就有办法了，首先主机A就向本网段发过一个ARP请求，这个ARP请求包中包括主机A的源IP地址，源MAC地址，目标主机B的IP地址，而目标MAC地址为广播MAC地址（全部为F），因为我们要找的就是目标MAC，所以这里用广播MAC地址，又因为是以太网，所以整个局域网的所有主机都能收到这个请求MAC地址的数据包，当然主机B也能收到，因此在主机B收到此ARP请求后，立即构建一个包括自己的MAC地址的ARP回应包，回应给主机A，当主机A收到这个ARP回应后，终于完成了找寻目标MAC的重大任务，从而把目标主机B的MAC地址正确封装进上面还未封装结束的正准备发给主机B的数据包，在这时，源IP和源MAC以及目标IP和目标MAC都已正确存在于数据包中，那么这里主机A向网络内发出这些数据包，因为目标地址在本网段，所以本网段所有主机都能收到这个数据包（这是以太网的特性），最后只有真正的目标主机B能够打开这些数据包，在此，同网段两台主机之间的通信就此圆满结束！

在这里应该注意另外一个问题，因为主机A要寻找的目标主机B在同一网络，所以主机A能够通过ARP得到目标主机B的MAC地址，从而完成通信。

　　当主机A在封装数据包时检测到目标主机并不在本网段，在这时，数据包不能把目标主机的MAC地址顺利封装进去，那么就用到另一种方法，那就是网关，主机A在准备发向主机B的数据中，封装好自己的IP地址和MAC地址，同时也封装好目标主机B的IP地址，数据包封装到这里，主机A就利用上面得到同网段目标主机B的方法去请求得到网关的MAC地址，同样也是用ARP去广播，因为网关必须和本机在同一网段，理所当然，网关能够收到这个ARP请求并能正确回应给主机A，这时主机A在数据包中封装好自己的IP地址和MAC地址，同时也封装好目标主机B的IP地址和网关的MAC地址，把数据包从网卡发出去，因为目标MAC是网关的，所以网关收到这个数据包后，发现目标MAC是自己，而目标IP却是别人，所以它不可以再往上打开这个数据包，它要做的工作就是把这些数据包发给下一跳路由器（如果网关自身就是一台路由器的话），如果网关是一台普通PC，那么它就发给路由器，让路由器把这些数据包正确传输到远程目标网络，到达远程网络后，它们的网关再将数据包发给数据包中的目标IP，即源主机A苦苦寻找的目标主机B，从而真正结束不同网络之间的通信，回应的数据包也是用同样的方法到达目的地，在这里，还需要注意的是，当网关把数据包发给下一跳路由器时，这个数据包必须由网关把目标MAC改成下一跳路由器的MAC地址（通过ARP得到），而源端MAC改成发出端口的MAC地址，否则下一跳路由器收到目标MAC不是自己的数据包，会丢弃不予理睬，下一跳路由器再发给下一跳路由器同样要把目标MAC地址改为下一跳路由器的MAC地址再发出去！

最后还可以总结出：在网段通信时，数据包中的地址就是源IP，目标IP，源MAC，目标MAC，根本用不到网关，而当检测到需要把数据包发到远程网络时，这时，目标MAC就必须改变了，在还没有出内网时，目标MAC必须写成网关的MAC地址发出去，当网关收到时，再把目标MAC地址改成下一跳的MAC地址发出去，同时源MAC地址要始终保持为发出端口的MAC地址（回应报文可以依靠它路由回去），而源IP及目标IP不曾改变（用于判断收到数据包的本机IP和数据包IP是否一致，若一致不转发），就算到达了公网上，目标MAC仍然在不断改变着，直到最后，这个数据包到达目标IP的网络，最终通信结束！