Отслеживание пакета через стек

Чтобы сделать работу уровней наглядной, проследим путь одного сообщения от одного компьютера к другому. Мы увидим, как данные движутся вниз по стеку отправителя, проходят через сеть и поднимаются вверх по стеку получателя. Наблюдение за всем маршрутом объединяет инкапсуляцию, адресацию и маршрутизацию в одну понятную картину и показывает, как каждый уровень выполняет свою часть работы.

Всё начинается на прикладном уровне компьютера-отправителя. Представим, что браузер формирует запрос веб-страницы. Этот исходный запрос и есть первоначальные данные, пока ещё без сетевых заголовков. Приложение передаёт их на транспортный уровень, чтобы начать передачу. Отсюда каждый уровень будет оборачивать данные по мере их спуска к сети.

Транспортный уровень добавляет заголовок с номерами портов, чтобы данные достигли нужной службы, а в случае TCP — порядковые номера для обеспечения надёжности. Теперь данные представляют собой сегмент. При необходимости транспортный уровень также разделяет большие объёмы данных на несколько сегментов. Затем каждый сегмент передаётся на интернет-уровень для адресации.

Интернет-уровень оборачивает сегмент в заголовок IP с исходным и целевым IP-адресами, формируя пакет. Эти IP-адреса не меняются от отправителя до получателя и обозначают исходного отправителя и конечного получателя. Теперь пакет знает, какого устройства он должен достичь в итоге, независимо от количества промежуточных сетей.

Канальный уровень оборачивает пакет в кадр с MAC-адресом следующего устройства в локальной сети и добавляет концевой блок с проверкой ошибок. Кадр преобразуется в сигналы и передаётся по среде связи. Обратите внимание: целевой MAC-адрес указывает только на следующий переход, а не на конечное устройство. Это важная деталь данного пути.

Если получатель находится в другой сети, кадр сначала направляется к маршрутизатору (шлюзу по умолчанию). Маршрутизатор принимает кадр, снимает его, читает IP-адрес в пакете и решает, куда передать пакет дальше. Затем маршрутизатор создаёт новый кадр с новым целевым MAC-адресом для следующего перехода. Пакет сохраняется, а кадр создаётся заново.

Эта последовательность повторяется на каждом маршрутизаторе пути. На каждом переходе кадр создаётся заново с новыми MAC-адресами для соответствующего локального соединения, тогда как пакет и его IP-адреса остаются неизменными. Поэтому оболочка канального уровня постоянно меняется, а адресация сетевого уровня действует от начала до конца. Пакет перемещается от маршрутизатора к маршрутизатору, пока не достигнет сети назначения.

Когда пакет достигает конечной сети, последнее устройство доставляет кадр на компьютер назначения. Теперь начинается декапсуляция. Получатель перемещает данные вверх по своему стеку, причём каждый уровень читает и удаляет собственный заголовок. Спуск по стеку отправителя повторяется в обратном виде как подъём по стеку получателя.

Канальный уровень проверяет кадр на наличие ошибок и снимает его, открывая пакет. Интернет-уровень проверяет целевой IP-адрес и удаляет заголовок IP. Транспортный уровень считывает порт, при необходимости меняет порядок сегментов и собирает их заново, а затем передаёт очищенные данные выше. Каждый уровень отменяет именно те действия, которые выполнил соответствующий уровень на стороне отправителя.

Наконец, прикладной уровень получателя получает исходные данные — веб-запрос — в точности такими, какими их создал отправитель. Получающая служба обрабатывает их и отправит ответ, который пройдёт тот же путь в обратном направлении. Сообщение пересекло сеть, а для приложений всё выглядит так, будто они общались напрямую.

Сообщение движется вниз по стеку отправителя, получая транспортный заголовок (сегмент), заголовок IP (пакет) и канальный заголовок (кадр). Оно проходит через маршрутизаторы, где кадр создаётся заново на каждом переходе, а пакет остаётся неизменным, затем поднимается вверх по стеку получателя по мере снятия каждого заголовка. Именно так происходит каждый сетевой обмен: вниз, через сеть и вверх.

Что остаётся неизменным, а что меняется на каждом переходе, когда пакет проходит через маршрутизаторы?

Путь пакета: у отправителя данные спускаются вниз, превращаясь в сегмент (порты), пакет (конечные IP-адреса) и кадр (MAC-адрес следующего перехода). На каждом маршрутизаторе кадр создаётся заново с новыми MAC-адресами, а пакет и IP-адреса остаются неизменными. В пункте назначения данные поднимаются вверх, поскольку каждый уровень снимает свой заголовок и доставляет исходное сообщение приложению. Вниз, через сеть, вверх.