最近在設計開發一個智能視覺檢測系統，涉及到一些通信知識，加上之前學習瞭解的內容，順手整理一下。
1. 網絡數據封包過程
網絡通信離不開各種各樣的協議，不然通信各端就得懵圈。網絡協議簡單理解就是計算機之間通信的數據格式。可以通過網絡分層模型來理解網絡的數據格式和分包過程。
應用層：應用層的數據是一個個大小有明確限制的數據包，可以理解爲要寄送的信件。
傳輸層：應用層的數據包，加上一個TCP頭，交給傳輸層傳輸，這個TCP頭可以類比給信件套上信封，並寫好收發單位的門牌號(端口號)。傳輸層是爲了解決傳輸可靠性問題，它有兩套協議，TCP和UDP。
網絡層：在傳輸層數據的基礎上，就像再加一層信封，寫上收發單位的地址，這個信封就是IP頭，地址就是接收雙方的IP地址，即源IP地址和目標IP地址。有了IP地址，這包數據在WAN上傳輸，就知道自己的目的地了。IP實現尋址和分段，除了路由功能，IP還提供分包功能，如果有些網絡內只能傳送小數據包，IP可以將數據包重新組裝，並在報頭域內註明。IP不負責可靠性和流控制。
數據鏈路層：數據鏈路層的網絡協議比較多樣化。局域網(LAN)目前最流行的是以太網(Ethernet)協議，廣域網(WAN)常見的是HDLC、PPP、Frame-Relay等網絡協議。
物理層：0101比特流在通信介質上的傳輸，分爲點對點傳輸和廣播傳輸。
2. 常用的網絡協議
說網絡協議之前，先說一下大家都很熟悉的三種網絡通信地址。
MAC地址：Ethernet協議用的是MAC地址，一臺計算機有一個或多個網卡，每個網卡會有自己的唯一標識，即MAC地址。
IP地址：IP地址決定了網絡路由怎麼走，信息如何達到你的計算機網卡。IP地址發展了兩代，分別是IPv4和IPv6，IPv4的地址空間太小，只有40多億個地址，因此升級到了IPv6。
域名：由於IP地址並不容易記憶，因此有了域名，比如我們用www.baidu.com來表示百度的地址。
有了以上三種地址，再來說說相關的網絡協議：
DNS(Domain Name System，域名系統)：該協議就像是個地址簿，負責域名->IP地址的查詢。
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議)，主要負責計算機接入網絡時的初始化。計算機最初只有網卡的MAC地址，通過DHCP可以給它分配IP地址，並得到默認網關地址和DNS服務器的地址，有了這些東西，計算機就可以和外界進行通訊了。
ICMP(Internet Control Message Protocol，互聯網控制報文協議)，它能夠檢測網路的連線狀況，以保證連線的有效性。基於這個協議實現的常用程序有ping和traceroute。
IGMP(Internet Group Management Protocol，互聯網組管理協議)，負責IP組播成員管理。
ARP(Address Resolution Protocol，地址解析協議)，服務於現在局域網中最流行的Ethernet協議。它負責解析遠程主機IP地址對應的MAC地址。由於通常應用程序和目標計算機進行網絡通訊時，提供的都是域名或IP地址，但對以太網來說，想要進行數據通信，需要知道對方的MAC地址。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol，反向地址轉換協議)，它和ARP協議相反，負責MAC地址到IP地址的轉換。目前該協議已被DHCP協議所取代，基本用不到了。
3. 數據傳輸過程
基本的數據傳輸過程圖示如下：
上圖可以簡單地理解爲，源主機和目的主機之間，通過若干路由器和交換機相連。那麼對於LAN和WAN，數據傳輸過程有什麼不同呢？分三種情況來介紹。
3.1 源主機和目的主機都在局域網內，通過交換機連接，採用常用的Ethernet協議
我們前面說過，Ethernet通過Mac地址直接通信。但是在通信最開始的時候，源主機只有目的主機的IP地址(私有IP地址，後面會解釋)，但沒有Mac地址，因此源主機會首先發起一個ARP請求去獲得目標IP對應的MAC地址。源主機會緩存這個對應關係，下次繼續給相同IP發消息的時候，就不需要重新發起ARP請求了。
無論是ARP請求還是普通數據包，都會先到達交換機。ARP是一個廣播請求，交換機會將該ARP請求轉發給所有的其他主機，目標主機收到該請求後，返回自己的MAC地址。有了目的主機的MAC地址後，源主機就可以通過交換機向目標主機發送數據包了。
交換機的工作過程如下：
(1) 收到某端口A，MAC地址爲X的計算機發給MAC地址爲Y的計算機的數據包，交換機記錄下MAC地址X在端口A，該過程稱爲學習(Learning)。
(2) 交換機還不知道MAC地址Y在哪個端口上，於是向除了A以外所有的端口轉發該數據包，這個過程稱爲泛洪(Flooding)。
(3) MAC地址爲Y的計算機收到該數據包，向MAC地址X發出確認包。交換機收到該確認包後，記錄下MAC地址Y所在的端口。
(4) 交換機向MAC地址X轉發確認包，這一步稱爲轉發(Forwarding)。
(5) 交換機收到一個數據包，查表後發現該數據包的來源地址與目的地址屬於同一個端口，交換機將不處理該數據包。這個過程稱爲內過濾(Filtering)。
(6) 交換機內部MAC地址->端口的映射表，每條記錄都使用時間戳記錄最後一次訪問的時間，訪問時間早於某個閾值的記錄將被清除。這個過程稱爲老化(Aging)。
3.2 源主機和目的主機都有公網IP地址，經過若干交換機和路由器相連
從上面數據傳輸示意圖可以看出，路由器和交換機不太一樣，交換機只需要知道MAC地址和端口號，但路由器需要知道源主機和目的主機的IP地址。路由器工作在網絡層。
路由器可以擁有一部分交換機的能力，比如，如果發現請求是局域網內的話，也可以引入類似交換機那樣的基於MAC地址的映射表實現高速通訊。但路由器因爲涉及“最佳路由路徑”的問題，總體上考慮的問題比交換機要複雜的多。路由器除了解決路由問題，往往還需要解決異構網絡的封包轉換問題。作爲局域網的接入方，它可能走的是固網或WiFi網絡；作爲Internet的接入方，它可能走的是光纖寬帶。所以路由器需要把局域網的數據鏈路層的封包解開並重組，以適應廣域網數據鏈路協議的需求。
兩臺擁有公網IP的主機通訊過程大體如下：
(1) 首先，源主機發送數據包，經由交換機(可選)到達本局域網的公網網關(路由器)，該過程即局域網內部通信過程。
(2) 路由器收到數據包，發現目標主機是Internet上某個遠端的目標主機，於是對數據包拆包重組，形成新的數據包。
(3) 根據自身的路由表，把這個新數據包層層轉發，最後到達目標主機對應的公網網關(路由器)。
(4) (目標端)路由器發現是發給本局域網內的目標主機，於是再拆包重組，形成新的數據包。
(5) 新數據包轉到局域網內，經由交換機(可選)最終到達目標主機。
3.3 源主機和目標主機至少有一方在局域網內且只有私有IP地址
首先說明一下私有IP地址。IPv4地址區間中有一些區段只用於局域網內的通訊，稱爲私有IP地址，這些區段包括：
10.0.0.0 - 10.255.255.255
172.16.0.0 - 172.31.255.255
192.168.0.0 - 192.168.255.255
只有私有IP而沒有公網IP的主機，通常只能和局域網內的主機通訊，而無法和Internet上的其他主機相互通訊。但在我們的家庭中，往往是一個WiFi路由器連接公網，所有的家庭設備如手機、平板、網絡電視，都以WiFi路由器爲網關構成一個局域網，那這些設備是怎麼上網的呢？
這就用到NAT(Network Address Translation，網絡地址轉換)技術。原理比較簡單，假如源主機的IP和端口號是iAddr:port1，經過NAT網關後，NAT將源主機的IP地址換成自己的公網IP(eAddr)，並隨機配一個端口(port2)，於是形成eAddr:port2，NAT網關再把該新的地址轉發給iAddr:port1。即NAT網關臨時建立了一個雙向映射表：iAddr:port1 <=> eAddr:port2，這樣，在該映射存續期間，eAddr:port2就變成了iAddr:port1的“替身”，這樣，內網主機也就相當於擁有了公網IP，也就可以上網了。
除了作爲公網網關的路由器，NAT網關也可以是局域網內任何一臺有公網IP的主機。