数据封装与解封装

概述

数据在发送端逐层加上头部（Header），就像装快递盒子：最里层是商品，外面一层一层套纸箱、贴面单、打托盘。到达接收端后，每一层剥掉自己的那层包装，只把原始内容交给上层处理。这个"套娃+拆箱"的过程就是 封装（Encapsulation） 和 解封装（Decapsulation）。

[!QUESTION] 为什么每层都要加头？因为每层需要知道如何管理自己的事务——传输层关心连接状态，网络层关心路由寻址，链路层关心物理介质。这些元信息必须跟在数据前面，让每一层都能正确解读并转发。

数据包尺寸变化轨迹

以发送一个 HTTP GET 请求为例，追踪尺寸变化：

层级	操作	数据结构	新增首部大小	累计大小
应用层	HTTP GET 报文	`GET / HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n\r\n`	—	~40 bytes
传输层 (TCP)	+ TCP Header	Segment	20 bytes	~60 bytes
网络层 (IP)	+ IP Header	Packet	20 bytes (IPv4)	~80 bytes
链路层 (Ethernet)	+ Eth Header + FCS	Frame	14 + 4 = 18 bytes	~98 bytes

flowchart LR
    H["HTTP GET 40B"] --> T["+ TCP Header 20B<br/>Segment 60B"]
    T --> I["+ IP Header 20B<br/>Packet 80B"]
    I --> E["+ Ethernet HDR 14B + FCS 4B<br/>Frame 98B"]
    E --> B["98 个 Bit 在网线上传输"]

    style H fill:#DDA0DD
    style T fill:#FFD700
    style I fill:#87CEEB
    style E fill:#98FB98

发送端：逐层封装

sequenceDiagram
    participant App as HTTP 应用
    participant TCP as TCP Socket
    participant IP as 网络层 IP
    participant ETH as 以太网驱动

    App->>TCP: write("GET / HTTP/1.1...")
    Note over TCP: 分配 seq/ack, state=ESTABLISHED
    TCP->>IP: 传递 Segment (daddr=x.x.x.x, sport=1234, dport=80)
    Note over IP: 查路由表 → 下一跳网关
    IP->>ETH: 传递 Packet (dst_mac=?, src_ip=192.168.1.100, dst_ip=93.184.216.34)
    Note over ETH: ARP 解析 → dst_mac=aabb.ccdd.eeff
    ETH->>ETH: 拼接 源MAC+目的MAC+EtherType+Payload+FCS
    ETH-->>App: sendto() 返回 → 帧已发出 ✅

Ethernet II 帧完整结构

Offset  Size   Field              说明
──────  ────   ─────────────────  ─────────────────────────────
0       6      Dest MAC Address   目标 MAC 地址
6       6      Source MAC Address 源 MAC 地址
12      2      EtherType          0x0800=IPv4 / 0x86DD=IPv6 / 0x0806=ARP
14      N      Payload            IP 包（最大 1500 字节）
14+N    4      FCS                CRC-32 帧校验序列（接收端自动验证）

总长度范围：64 ~ 1518 bytes（不含 VLAN Tag；有 VLAN Tag 则上限 1522）。

[!note] MTU = 1500 是什么意思？ MTU（Maximum Transmission Unit）是链路层允许的最大 Payload 大小，即 IP 包的最大体积。超过会被分片（Fragmentation），但分片会降低性能且增加丢包风险——这也是现代应用层（如 TLS、gRPC）倾向于小包传输的原因。

接收端：逐层解封装

sequenceDiagram
    participant ETH as 网卡收到 Frame
    participant IP as 剥离以太网头
    participant TCP as 剥离 TCP 头
    participant App as 提取 HTTP 数据

    ETH->>IP: 校验 FCS OK → 取 EtherType=0x0800 → 剥离以太网头
    IP->>TCP: 校验 IP Checksum → 取 Protocol=6(TCP) → 剥离 IP 头
    TCP->>App: 按 Sequence Number 重组 → 剥离 TCP 头
    App->>App: 解析 "GET / HTTP/1.1..." 🎉

每层的动作可以概括为三步：

检查：校验和是否正确？mac/ip/port 是否指向自己？
剥离：去掉本层的 Header（必要时 Tail 如 FCS）
移交：将剩余的 Payload 交给上层协议处理

各层 PDU 对照表

OSI 名称	PDU	TCP/IP 对应	关键标识字段
数据 (Data)	报文段	应用层消息	—
段 (Segment)	TCP Segment	传输层 PDU	源端口 + 目的端口
包 (Packet)	IP Datagram	网络层 PDU	源 IP + 目的 IP + Protocol
帧 (Frame)	Ethernet Frame	链路层 PDU	源 MAC + 目的 MAC + EtherType
比特流 (Bits)	Bitstream	物理层信号	电信号 / 光脉冲

NAT 场景下的封装变化

NAT 路由器修改了中间层的地址：

发送端内部主机                    NAT 路由器                     外部 Web 服务器
┌──────────────────────┐     ┌──────────────────────┐     ┌──────────────────────┐
│  Src IP: 10.0.0.5:45678 │     │ SNAT: 改写 Src IP    │     │ Dst IP: 203.0.113.1:80  │
│  Dst IP: 203.0.113.1:80 │ →  │                      │ →   │                      │
│                      │     │ → Src IP: 8.8.8.8:45678 │     │ ← Src IP: 203.0.113.1:80  │
│                      │     │ → Dst IP: 203.0.113.1:80  │     │ → Src IP: 10.0.0.5:45678 │
└──────────────────────┘     └──────────────────────┘     └──────────────────────┘

注意：NAT 不触碰应用层载荷，只是在中途修改了 IP 和 TCP 端口。这也意味着 传输层的 Checksum 需要重新计算。

关联笔记

hhs/NETWORK/OSI与TCP-IP模型对比 — 分层模型的起源与对比
hhs/NETWORK/IPv4协议详解 — IP 包的详细格式
hhs/NETWORK/TCP状态机详解 — TCP 段的结构与状态管理

5.8 KiB Raw Blame History Unescape Escape