一、前言
最近一直在做网络编程的项目，编程和调试过程中关注的点始终是收发数据是否正常，只是为了确保数据能够被正常收到就好，那么数据包从一台主机发出，去往另外一台主机的过程是怎么样的？数据包经历了什么，有没有变化，ip地址变化还是mac地址变了？每天陪伴我们的电脑又是如何正常上网的呢？上网的数据包又是怎么传输的？这些问题成为我最新的关注点，这篇文章将一一为大家揭开这些神秘的面纱，详细介绍一下数据包的走向。
二、网络拓扑：
我们假设现有的网络拓扑图如图1所示：
整个网络拓扑中有三个路由器R1,R2,R3;俩台主机PC1,PC2。其中R3 wan口是接外网环境，lan口接R1,R2构造俩个内部的局域网，PC1，PC2分别在R1,R2所构造的局域网内。
路由器wan，lan配置如下：
R3：
wan :218.205.167.2，lan:10.66.0.1
R1:
wan:10.66.0.3，lan:192.168.33.1
R2:
wan:10.66.0.2，lan:192.168.22.1
主机IP配置如下：
PC1:192.168.33.105
PC2:192.168.22.103
三、跨网段访问内网：
如图1所示(假设PC2向PC1发送一个Ping请求)：
PC1与PC2从属不同的网段，数据包是如何传输的呢？我们暂且做如下假设：
①假定传输的有效数据不管；
②假设ip层与链路层包头与帧头的其他数据也不管，我们只关心ip和mac的变化；
③同时为了便于理解，我们直接将mac地址的格式假定为(设备:网卡)，例如路由器R1的lan口的mac为(R1:lan)。
基于以上假设，那么此时伪数据帧1的内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| PC2:ETH0 | R2:LAN | 192.168.22.103 | 192.168.33.105 |
数据帧1分析：
源mac是我们主机PC2的网卡的mac地址；
源ip是我们主机PC2的ip地址；
目的地址是另外一个网段的主机PC1的ip地址；
目的mac为什么是R2的lan口mac呢？而不是PC1的目的mac呢？原因如下：
①首先我们不知道目的ip对应的mac是什么，因此会通过arp协议去查找PC1的mac；
②此时目的ip与源ip根本不在一个网段，那么数据包只能走网关过去，所以这个时候arp首先查询的是网关R2 lan的mac地址，也就是R2:LAN；
③arp按照协议过程查找到R2:LAN，并将这个值填入数据帧1中的目的mac中。
数据帧1会被路由器R2收到，R2会从mac帧中解析出ip包，然后查看目的ip地址，进行路由。
如果此时我们想让PC2的数据包访问到PC1的话，必须新增自己的一条路由规则如下(该条规则指明了去往192.168.33.0网段的数据下一跳网关是10.66.0.3，数据包是从wan口出去)：
destination gw mask dev
192.168.33.0 10.66.0.3 255.255.255.0 wan
显然目的地址为192.168.33.105的数据包会符合这条路由规则，数据包从wan口出去，最终路由到10.66.0.3地址。
此时重新构建的伪数据帧2内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| R2:WAN | R1:WAN | 192.168.22.103 | 192.168.33.105 |
数据帧2分析：
源mac是路由器R2的wan口网卡的mac地址，因为R2在接收到数据帧1之后先进行解帧，然后ip包路由，路由之后发现要从wan口出去，重新封帧，此时帧的源当然变成了wan口的地址；
源ip是我们主机PC2的ip地址，没有变化。
目的地址是另外一个网段的主机PC1的ip地址，没有变化
目的mac是路由器R1的wan口网卡的mac地址，因为通过上述的路由规则我们可知道下一跳是去往10.66.0.3，这个时候arp会去查询10.66.0.3的对应的mac地址，将查到的mac地址填入
数据帧2的目的mac中，也就是R1:WAN。
由于R1与R2在一个网段内，所以R1与R2的mac地址会被R3自学习到，并缓冲在R3的mac地址列表中，当数据帧2来到R3的时候，R3能够从mac列表中找到目的mac即R1:WAN,则R3直接将此
数据包转发至R1的wan口。R1收到此数据包后解帧，对ip数据包进行路由,我们在配置路由器的lan口ip的时候会生成如下路由规则：
destination gw mask dev
192.168.33.0 192.168.33.1 255.255.255.0 lan
显然目的地址为192.168.33.105的数据包会符合这条路由规则，数据包从lan口出去，最终路由到192.168.33.105地址。
此时重新构建的伪数据帧3的内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| R1:LAN | PC1:ETH0 | 192.168.22.103 | 192.168.33.105 |
数据帧3分析：
源mac是路由器R1的Lan口网卡的mac地址，因为R1在接收到数据帧2之后先进行解帧，然后ip包路由，路由之后发现要从Lan口出去，重新封帧，此时帧的源当然变成了Lan口的地址；
源ip是我们主机PC2的ip地址，没有变化。
目的地址是另外一个网段的主机PC1的ip地址，没有变化
目的mac是主机PC1的mac地址，因为通过上述的路由规则我们可知道下一跳是去往192.168.33.1，这个时候arp会去查询192.168.33.105的对应的mac地址，将查到的mac地址填入
数据帧3的目的mac中，也就是PC1:ETH0。
此时数据帧3就可以经过R1的lan口从而流入PC1，从而实现了PC2跨域访问PC1的过程。
本例中我们可以得出结论：
1.在整个内网中跨域访问的过程中，链路层的数据帧源mac和目的mac是一直在变的。
2.在整个内网中跨域访问的过程中，网络层的ip数据包源ip和目的ip一直没有改变(跨域的过程源ip是可以修改的，这取决于我们是否开启了NAT转换，本例中我们是没有开启的，但目的ip是不能变的)。
四、跨网段访问外网：
其实这个小标题是句废话，因为访问外网一定会跨网段，这里只是为了和之前的跨网段访问内网做个对比区分。
如图1所示(假设PC2向百度发起了访问请求)：
百度与PC2从属不同的网段，数据包是如何传输的呢？我们暂且做如下假设：
①假定传输的有效数据不管；
②假设ip层与链路层包头与帧头的其他数据也不管，我们只关心ip和mac的变化；
③同时为了便于理解，我们直接将mac地址的格式假定为(设备:网卡)，例如路由器R1的lan口的mac为(R1:lan)。
④假设百度ip地址为10.247.210.12
基于以上假设，那么此时伪数据帧1的内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| PC2:ETH0 | R2:LAN | 192.168.22.103 | 10.247.210.12(百度) |
数据帧1分析：
源mac是我们主机PC2的网卡的mac地址；
源ip是我们主机PC2的ip地址；
目的地址是10.247.210.12，百度地址，显然是不同网段的；
目的mac为什么是R2的lan口mac呢？而不是PC1的目的mac呢？原因如下：
①首先我们不知道目的ip对应的mac是什么，因此会通过arp协议去查找PC1的mac；
②此时目的ip与源ip根本不在一个网段，那么数据包只能走网关过去，所以这个时候arp首先查询的是网关R2 lan的mac地址，也就是R2:LAN；
③arp按照协议过程查找到R2:LAN，并将这个值填入数据帧1中的目的mac中。
数据帧1会被路由器R2收到，R2会从mac帧中解析出ip包，然后查看目的ip地址，进行路由。路由器中的默认路由规则是将lan口进来的数据包从wan口转发出去(默认规则如下)。
destination gw mask dev
* 10.66.0.1 * wan
显然目的地址为10.247.210.12的数据包会符合这条默认路由规则，数据包从wan口出去，最终路由到10.66.0.1地址。
此时重新构建的伪数据帧2内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| R2:WAN | R3:LAN | 192.168.22.103 | 10.247.210.12(百度) |
数据帧2分析：
源mac是路由器R2的wan口网卡的mac地址，因为R2在接收到数据帧1之后先进行解帧，然后ip包路由，路由之后发现要从wan口出去，重新封帧，此时帧的源当然变成了wan口的地址；
源ip是我们主机PC2的ip地址，没有变化。
目的地址是百度地址，没有变化。
目的mac是路由器R3的lan口网卡的mac地址，因为通过上述的路由规则我们可知道下一跳是去往10.66.0.1，这个时候arp会去查询10.66.0.1的对应的mac地址，将查到的mac地址填入
数据帧2的目的mac中，也就是R3:LAN。
数据帧到达R3之后会继续走默认路由(此处的gw不知道长什么样子，由运营商提供了，由xxxx代替)：
destination gw mask dev
* xxxx * wan
显然目的地址为192.168.33.105的数据包会符合这条路由规则，数据包从wan口出去，最终路由到xxxx地址。
此时重新构建的伪数据帧3的内容如下：
| 源mac | 目的mac | 源ip | 目的ip |
|---|---|---|---|
| R3:WAN | 下一跳mac | 218.205.167.2(外网ip) | 10.247.210.12(百度) |
数据帧3分析：
源mac是路由器R3的WAN口网卡的mac地址，因为R3在接收到数据帧2之后先进行解帧，然后ip包路由，路由之后发现要从wan口出去，重新封帧，此时帧的源当然变成了wan口的地址；
源ip是经过NAT表转换后的ip，即将192.168.22.103变为218.205.167.2，因为此时要上外网，源地址必须是公网ip，否则百度在进行回复的时候不认识我们的内网ip。
目的地址是百度地址，没有变化。
目的mac是下一跳mac，跳到运营商的设备地址处，至于后面是怎么变换的我们暂不关心了，至此我们的访问外网的数据已经进入了公网里。
本例中我们可以得出结论：
1.在整个跨域访问外网的过程中，链路层的数据帧源mac和目的mac是一直在变的。
2.在整个跨域访问外网的过程中，网络层的ip数据包目的ip是一直不会变的，而在顶级路由器处需要把源ip转为公网ip使其可以正常上网(次顶级的路由器也可以修改数据包的源Ip，取决于是否开启NAT转换，本例中没有开启NAT)。
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来源：CSDN
作者：yebour
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