上文介绍了计算机网络的基础知识和DNS域名解析，本文继续分析DNS域名解析确定接收方的IP地址后如何确定MAC地址，然后建立TCP连接。

我们先对上文做个小结:

  • Internet通信的本质就是计算机A向计算机B发送一个数据包，后者接收再回应一个数据包，依靠传递数据包来完成Internet通信，所以确定计算机地址是Internet通信的前提。

  • 在互联网中，计算机地址由IP地址和MAC地址确定，发出方的MAC地址是必然知道的，IP地址则可通过用户设置静态IP地址或者通过DHCP协议动态确定，接收方的IP地址可通过DNS解析确定，那么我们确定接受方的MAC地址，即可建立Internet通信。

接收方MAC地址

确定接受方MAC地址的情况分两种：发出方和接收方是否在同一子网络中。

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如何判断发出方和接收方是否在同一子网络？

  • 判断两台计算机是否在同一网络，需要知道双方的IP地址以及发出方本机的子网掩码。

  • 将子网掩码和双方的IP地址转为二进制的IP地址，然后将二进制的子网掩码分别与二进制的IP地址做AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果，相同则表示在同一子网络中，否则就不在。

例如发出方的子网掩码为255.255.255.0，两台计算机IP地址分别为172.16.254.2和172.16.254.1，将子网掩码转为二进制为11111111.11111111.11111111.00000000，两台计算机IP地址转为二进制分别为10101100.00010000.11111110.00000010和10101100.00010000.11111110.00000001。两台计算机IP地分别与子网掩码做AND运算，运算结果转为十进制都是172.16.254.0，那么则表示172.16.254.2和172.16.254.1在同一子网络中。

在同一子网络

  • 在同一子网络中的两台计算机，我们可使用ARP协议来确定对方的MAC地址。

  • 根据ARP协议，发出方将在链接层发出一个ARP数据包（包含在以太网数据包中），该数据包包含本机的IP地址，MAC地址和所要查询的接收方主机IP地址，由于接收方IP地址尚未知道，则在接收方的MAC地址栏填写为FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示为一个广播地址。

  • 那么发出方所在子网络的每台计算机都会接收到这个数据包，然后从该数据包取出查询的IP地址，与自身的IP地址进行比较，如果相同，则做出响应，返回自身的MAC地址，并将发出方的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中，如果不同，则会丢弃该数据包。

  • 发出方接收到接收方的响应后，会将接收方的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中，然后开始建立TCP连接通信。

注：每次查询接收方MAC地址都会在本地ARP缓存中，根据接收方的IP地址寻找相对应的MAC地址，如果没有找到，则会根据ARP协议在以太网进行广播查找。

在不同子网络

两台计算机不在同一个子网络，无法直接通过ARP协议广播查找，那么只能通过默认网关代为转发，如图。
gateway

例如1号计算机与4号计算机请求通信，发送数据包，他将根据1号计算机的子网掩码判断与4号计算机是否在同一子网络中，发现不在同一子网络，于是就把这个数据包发送到网关A（网关A在计算机加入网络中已确定），网关A通过路由协议，根据路由转发表将该数据包转发至网关B，网关B再转发给4号计算机，4号计算机再做出响应，返回本机的MAC地址并添加到本地的ARP缓存。

至此，知道发出方和接收方的IP地址和MAC地址就可以建立TCP连接了。

查看ARP缓存表

打开命令窗口，输入arp -g或者arp -a，查看本地ARP缓存表，如图
ARP

  • 本地ARP缓存表只缓存与本机在同一子网的MAC地址与IP地址，不在同一子网的就只显示默认网关的MAC地址与IP地址。

  • ARP缓存类型为动态是通过ARP协议缓存的IP地址和MAC地址映射关系，缓存时间一般为两分钟，ARP缓存类型为静态则是手动设置或者默认设置的。

TCP连接

要分析TCP连接，我们必须先了解TCP协议。

  • TCP协议（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

  • TCP协议的主要功能是当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

所以，在网络通信下确定双方IP地址和MAC地址后，发出方发出的数据需在传输层经过TCP分割成多个适当大小(约1522字节)的数据包，然后再经网络层IP协议将该数据包转发到接收方实体的传输层。

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那么TCP连接是如何建立的？

这里我们将发出方成为客户端，接收方称为服务端。TCP连接的过程分为三步，可简单描述为：

  • 客户端向服务端发起TCP连接请求

  • 服务端响应客户端，同意建立TCP连接

  • 客户端向服务端最后确认TCP连接建立，准备发送数据

至此，TCP连接建立成功，该过程称为TCP三次握手，具体分析如下。

TCP三次握手

TCP
在分析之前，我们先了解上图的术语含义：

  • SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)，表示向接收方建立TCP连接的请求，仅在三次握手阶段有效

  • SEQ/seq：TCP数据包序列号(Sequence Number)，在TCP发送的每个数据包都会随机生成一个序列号，该序列号用于接收方对数据包的接收确认，防止丢失以及数据接收完毕后按序列号顺序组装。

  • ACK：确认编号（Acknowledgement Number），数据包的确认标志，表示对发出方发出数据包的接收确认

  • SYN_SENT：客户端发送同步标志SYN后,进入SYN_SENT状态

  • SYN_RECV：服务端确认客户端的SYN包并发送SYN包后，进入SYN_RECV状态

  • ESTABLISHED：客户端或服务端发送同步标志SYN后，对方确认后进入TCP建立状态

知道以上标志含义后，我们接下来分析TCP三次握手的详细过程：

  1. 建立连接时，客户端向服务端发SYN包(该数据包假设SYN为j，随机产生一个值seq=x)，并将该数据包发送给服务端，客户端进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

  2. 服务端收到该SYN包，必须先确认客户的SYN，发送一个ACK值为j+1的确认数据包,同时也向客户端发送一个SYN包(假设SYN=k，随机产生一个值seq=y),即发送SYN+ACK包，然后服务端进入SYN_RECV状态

  3. 客户端接收到服务端的SYN+ACK包后，客户端进入ESTABLISHED状态，并对服务端发送的SYN包进行确认，发送确认包ACK(ack=k+1），服务端接收到客户端的ACK包后，也进入ESTABLISHED状态，至此TCP连接成功。

至此，TCP三次握手成功后，TCP连接成功，通信的两台计算机就可使用TCP连接进行数据包的传输，进行网络通信。

TCP数据包传输

首先我们先了解数据包的结构，如下图
TCP DATA
由上图可得出，IP数据包在以太网数据包里面，TCP数据包在IP数据包里面。数据最终会被组装成以太网数据包（包含IP数据包，TCP数据包）在链接层传输，而每个以太网数据包大小约为1522字节。

数据包传输过程与TCP三次握手类似，大致如下：
process

  • 客户端再TCP连接中向服务端发送一个数据请求包，假设数据包长度为100字节，随机生成的SEQ为1，ACK初始值为1

  • 服务端收到该数据包后，先进行接收确认，将ACK置为101(该值由接收的数据包SEQ值和数据包大小确定)，再将请求的数据分割成多个数据包，并每个数据包生成一个SEQ值和Length值（数据包大小），然后发送给客户端

  • 客户端每接收到服务端的数据包，都会对数据包进行接收确认，向服务端发送确认数据包，即是将ACK置为该数据包SEQ值和数据包大小的和,并生成一个SEQ值和Length值

  • 当服务端的所有请求的数据包发送完毕后，客户端会根据数据包的SEQ值进行排序组装，然后根据套接字传送到相应的应用程序，再按HTTP协议的规定进行转换使用。

防止数据包丢失

lose

  • Host A主机向Host B主机发送数据包（SEQ为92，Length为8bytes），Host B主机接收到该数据包后根据该数据包的SEQ值加上Length值得出ACK值(100)，该值表示已接收到序列号为92的数据包，并期望接收到下一个SEQ（序列号）为100的数据包

  • Host A主机发出SEQ值为100的数据包发生丢失，Host B主机无法接收到SEQ值为100的数据包，在接收其他数据包的同时就会一直发送ACK值为100的数据包

  • Host A主机接收到三个连续的重复ACK包就会进行丢包确认，然后重新发送SEQ值为100的数据包

通过以上确认接收的机制，TCP保证了不会发生数据丢失的情况。

慢启动

在Internert通信下，数据的传输速率肯定是越快越好，但是如果数据传输的太快，接收方接收的速率跟不上，那么就很有可能会发生大量数据包丢失的情况，同时也会对发出方的性能造成影响。同时，数据包的传输速率也是不稳定的，带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会对传输速率造成影响。TCP协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制，利用慢启动来控制数据的传输速率。

慢启动的主要作用是当TCP开始在一个网络中传输数据或发现数据丢失并开始重发时，首先慢慢的对网路实际容量进行试探，避免由于发送了过量的数据而导致阻塞。

默认情况下，接收方每次接收TCP 数据包，就要发送一个确认消息ACK包，代表接收确认，同时该ACK包会携带以下两个信息：

  • 期待要收到下一个数据包的编号，即ACK值

  • 接收方的接收窗口的剩余容量

发送方根据这两个信息就可以大概推测接收方的接收速度，从而逐步降低或增加发送速率。

TCP四次挥手

在数据传输完毕之后会进行TCP四次挥手即是TCP连接关闭，TCP需要进行四次挥手的原因在于TCP连接是全双工,即双方通信的，每个方向都必须单独进行关闭。
close
注：FIN – 结束标志。

  1. 客户端发送一个FIN，关闭客户端到服务端的数据传送,进入FIN-WAIT-1状态。

  2. 服务端收到这个FIN，返回一个确认ACK包(ack值为u+1),进入CLOSE-WAIT状态。

  3. 服务端也发送一个FIN给客户端，关闭与客户端的连接，进入LAST-ACK状态。

  4. 客户端发回ACK包确认，ack值为w+1,最后TCP连接关闭。

总结

本文参考了大量的文章，但是大多数文章都是讲解得不详细或者不够深入，也有一些好的文章做参考，再结合自己的理解来描述表达，让大家可以更清晰的理解详细过程。为了使本文内容更加准确无误，也做了大量的研究，若还有部分内容描述不正确，欢迎指正。下篇文章会主要讲解浏览器渲染过程。






参考文献