【计算机网络 | 概述3：数据在网络中的形态：报文、数据段、数据报、帧与比特流】

上一篇我们介绍了计算机网络的分层模型。分层以后，每一层都有自己负责的功能，也会给上层的数据加上一些控制信息。

所以，同一份用户数据在不同层中会有不同的名字，他们分别是：报文、数据段、数据报、帧、比特流

这些名字是为了在说明：数据当前已经被哪一层处理过，以及接下来由谁负责传输。

为什么同一份数据有这么多名字？

我们在浏览器中输入一个网址，最终发送出去的并不是一段孤零零的 HTTP 文本。

例如浏览器准备发送下面这个请求：

GET / HTTP/1.1
Host: www.baidu.com

浏览器只关心“我要请求什么资源”，但网络要解决的问题更多：

• 这份数据应该交给哪个应用进程；
• 数据是否可靠到达，丢失后怎么办；
• 目标主机在互联网中的 IP 地址是什么；
• 当前这一跳应该交给哪一块网卡；
• 最后怎样把数据变成网线、光纤或无线信号中的 0 和 1。

这些问题分别由不同层解决。因此数据每向下一层传递一次，都会附加该层需要的控制信息，数据的称呼也会随之变化。

五层模型中的数据形态

在我们使用的五层参考模型中，各层对应的数据单位如下：

这里有两个容易混淆的地方：

• 报文有时是一个比较宽泛的说法，泛指网络中传输的一段消息。在五层模型的语境中，通常把应用层交给运输层的数据称为应用层报文。
• 运输层要区分协议。TCP 对应的是报文段，UDP 对应的是用户数据报。初学阶段，我们也常把它们统称为运输层数据。

数据向下传递：封装过程

数据从应用层向物理层传递的过程称为封装。

每一层收到上层交下来的数据后，都会把它看作自己的数据部分，然后添加本层的协议控制信息，组成新的协议数据单元。

HTTP 请求报文
-> TCP 首部 + HTTP 报文 = TCP 报文段
-> IP 首部 + TCP 报文段 = IP 数据报
-> 帧首部 + IP 数据报 + 帧尾部 = 以太网帧
-> 比特流 / 电信号 / 光信号 / 无线信号

1. 应用层：报文

应用层直接面向用户程序。

浏览器生成的 HTTP 请求、DNS 查询消息、电子邮件内容等，都可以看作应用层报文。应用层关心的是业务语义，例如“请求网页”“查询域名”“发送邮件”。

它并不需要知道底层具体经过了哪些路由器，也不需要关心网线中的电信号长什么样。

2. 运输层：数据段

运输层收到应用层报文后，会添加运输层首部。

如果使用 TCP，形成的是 TCP 报文段。TCP 首部中包含源端口号、目的端口号、序号、确认号等信息，用于实现可靠传输、流量控制和拥塞控制。

如果使用 UDP，形成的是 UDP 用户数据报。UDP 的首部更简单，主要包含端口号、长度和校验和等信息。

端口号的作用是区分主机上的不同应用进程。比如浏览器访问 Web 服务时，目的端口通常是 80 或 443。

3. 网络层：数据报

网络层收到 TCP 报文段或 UDP 用户数据报后，会添加 IP 首部，形成 IP 数据报。

IP 首部中最关键的信息是源 IP 地址和目的 IP 地址。路由器正是根据目的 IP 地址，为数据报选择下一跳，从而让数据能够跨越不同网络到达目标主机。

网络层只负责让数据报尽力到达目标主机，并不保证一定送达。是否需要可靠传输，通常由上面的 TCP 来完成。

4. 数据链路层：帧

IP 数据报还不能直接在以太网或 Wi-Fi 中传输。数据链路层会在 IP 数据报前后增加控制信息，形成 帧。

以太网帧中通常会包含：

• 帧首部：源 MAC 地址、目的 MAC 地址、类型等；
• 数据部分：上层交下来的 IP 数据报；
• 帧尾部：帧校验序列 FCS，用于检测传输过程中是否出现比特错误。

需要注意的是，MAC 地址解决的是当前链路中的下一跳交付问题。

例如，电脑访问互联网上的 Web 服务器时，电脑通过 ARP 查询到的通常是默认网关的 MAC 地址，而不是远端 Web 服务器的 MAC 地址。数据先被封装成“发给默认网关”的帧，再由路由器继续转发。

5. 物理层：比特流

帧到达物理层后，会被转换成可以在介质中传播的比特流。

在网线中，0 和 1 会表现为不同的电信号；在光纤中，会表现为不同的光信号；在 Wi-Fi 中，则会表现为无线电波信号。

物理层并不理解 HTTP、TCP 或 IP，它只负责把比特可靠地送到物理链路的另一端。

用一次 HTTP 请求串起来

假设我们访问 http://www.baidu.com/，并且已经通过 DNS 得到了服务器的 IP 地址。

浏览器生成 HTTP 请求后，数据大致会经历下面的过程：

从浏览器的角度看，它发送的是 HTTP 请求；从网卡的角度看，它发送的是一串比特；从路由器的角度看，它主要处理的是 IP 数据报和当前链路上的帧。

这就是分层带来的视角差异：同一份数据，在不同层看来是不同的对象。

数据到达服务器：解封装过程

服务器收到数据后，会按照相反的方向处理，这个过程称为解封装。

比特流
-> 识别出以太网帧，去掉帧首部和帧尾部
-> 得到 IP 数据报，去掉 IP 首部
-> 得到 TCP 报文段，去掉 TCP 首部
-> 得到 HTTP 请求报文，交给 Web 服务器程序

在实际处理时，每层都会先检查本层首部中的信息：

• 数据链路层检查目的 MAC 地址和帧校验；
• 网络层检查目的 IP 地址，并判断该数据报是否应交给本机；
• 运输层根据目的端口号，把数据交给对应的应用进程；
• 应用层的 Web 服务器最终读取 HTTP 请求，并返回 HTTP 响应。

响应从服务器返回客户端时，同样会经历一次封装、传输和解封装，只是源地址和目的地址的角色相反。

可以参考这个图理解：

经过路由器时，什么会变？

很多人刚接触封装时会有一个疑问：数据经过很多路由器，是不是每一层都会被拆开再重新封装？

通常不是。

路由器主要工作在网络层，同时也需要处理它连接的两端数据链路层。一个帧到达路由器后，大致会发生下面的事情：

可以参考下图理解：

再理解 PDU、SDU 与 PCI

上一篇提到过三个概念：PDU、SDU 和 PCI。它们正好可以用来解释封装。

• SDU（服务数据单元）：上层交给本层的数据；
• PCI（协议控制信息）：本层为了实现协议而添加的控制信息，通常就是首部，有时还包括尾部；
• PDU（协议数据单元）：本层最终形成的数据单位。

它们之间的关系是：

本层 PCI + 本层 SDU = 本层 PDU

例如，TCP 把 HTTP 报文作为自己的 SDU，加上 TCP 首部后形成 TCP 报文段；这个 TCP 报文段又会成为 IP 层的 SDU。

也就是说，上层的 PDU，就是下层的 SDU。

可以参考这个图理解：

小结

从应用程序发出请求，到数据真正进入网络，数据会依次经历下面几种形态：

应用层：报文
运输层：TCP 报文段 / UDP 用户数据报
网络层：IP 数据报（分组）
数据链路层：帧
物理层：比特流

向下传递时，每层添加自己的控制信息，这叫封装；到达接收方后，数据逐层去掉控制信息并交给上层，这叫解封装。

理解这条链路后，后面学习 TCP、IP、以太网、路由器转发时，就不会只看到一堆零散的首部字段，而能知道它们分别处在什么位置、解决什么问题。

下一篇我们继续看：互联网中的数据为什么通常被拆成一个个分组来传输，以及分组交换和电路交换有什么区别。

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