End-to-End Overview of Network

這篇文章會透過從我本地的電腦發送請求到 ec2.us-east-1.amazonaws.com 的過程，來簡單說明一個請求在網路中傳送的整個流程。

curl -v https://ec2.us-east-1.amazonaws.com

Step 1: DHCP

在電腦剛連上網路的時候，需要先透過 DHCP 請求來得到 IP 位址、子網路遮罩、預設閘道以及 DNS 伺服器等資訊，這樣電腦才能夠順利地和其他裝置溝通。

一般家用網路的 DHCP 伺服器通常是由路由器來扮演，因此預設閘道跟 DHCP 伺服器通常就是路由器的 IP 位址。

DHCP 流程如下 :

電腦廣播 DHCP Discover 封包來尋找 DHCP 伺服器
DHCP 伺服器回應 DHCP Offer 封包，提供所需的相關資訊
電腦回應 DHCP Request 封包，表示接受這些資訊
DHCP 伺服器回應 DHCP Acknowledgment 封包，完成設定

我們也可以透過 ipconfig /all 指令來查看目前的網路設定。

ipconfig /all

Wireless LAN adapter Wi-Fi:

   Connection-specific DNS Suffix  . :
   Description . . . . . . . . . . . : Intel(R) Wi-Fi 6 AX201 160MHz
   Physical Address. . . . . . . . . : 70-D8-23-B6-7A-1F
   DHCP Enabled. . . . . . . . . . . : Yes
   Autoconfiguration Enabled . . . . : Yes
   Link-local IPv6 Address . . . . . : fe80::b9d:feaf:a050:97e8%18(Preferred)
   IPv4 Address. . . . . . . . . . . : 172.21.88.186(Preferred)
   Subnet Mask . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   Lease Obtained. . . . . . . . . . : Tuesday, November 4, 2025 3:04:13 PM
   Lease Expires . . . . . . . . . . : Tuesday, November 4, 2025 5:04:11 PM
   Default Gateway . . . . . . . . . : 172.21.88.206
   DHCP Server . . . . . . . . . . . : 172.21.88.206
   DHCPv6 IAID . . . . . . . . . . . : 309385251
   DHCPv6 Client DUID. . . . . . . . : 00-01-00-01-2C-8E-E0-8A-08-BF-B8-15-4A-8C
   DNS Servers . . . . . . . . . . . : 172.21.88.206
   NetBIOS over Tcpip. . . . . . . . : Enabled

IPv4 Address: 電腦被分配到的 IP 位址
Subnet Mask: 子網路遮罩，用來區分是不是本地網路的裝置
Default Gateway: 預設閘道，當封包不是發送到本地網路時，會送到這個位址
DNS Servers: DNS 伺服器的位址，用來解析網域名稱

Step 2: ARP

現在電腦已經有了 Gateway 的 IP 位址了，但記得我們前面提到過，區域網路是使用 MAC address 來溝通的，因此需要使用 ARP 協議來查詢 Gateway 的 MAC address。

ARP 的運作方式如下 :

檢查本地的 ARP 快取表，看看有沒有 Gateway 的 MAC address
如果沒有，廣播 ARP Request 封包，詢問 "誰是 172.21.88.206?"
Gateway 收到請求後，回應 ARP Reply 封包，提供自己的 MAC address
電腦收到回應後，將 IP 和 MAC address 對應關係存到 ARP 快取表中

我們可以使用 arp -a 指令來查看目前的 ARP 快取表。

arp -a

Interface: 172.21.88.186 --- 0x12
  Internet Address      Physical Address      Type
21.88.206         4a-fb-86-53-d9-8d     dynamic
21.88.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     static
0.0.22            01-00-5e-00-00-16     static
0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     static
0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     static
255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     static
255.255.255       ff-ff-ff-ff-ff-ff     static

可以看到我們的 IPv4 地址 172.21.88.186 中有一個 172.21.88.206 的對應 MAC address 4a-fb-86-53-d9-8d，且類型是 dynamic，表示這是透過 ARP 協議動態取得的。

Step 3: DNS

有了 Gateway 的 MAC address 後就可以開始發送封包了。

但在這之前還需要先將我們要存取的網域名稱 ec2.us-east-1.amazonaws.com 解析成 IP 位址，這時就需要用到 DNS 協議。

DNS 的運作方式如下 :

電腦會先檢查本地的 DNS 快取，看看有沒有對應的 IP 位址
如果沒有，會向設定的 DNS 伺服器發送 DNS 查詢請求，DNS 伺服器會先向根域伺服器查詢，再逐層向下查詢直到取得最終的 IP 位址
電腦收到回應後，將網域名稱和 IP 位址存到本地的 DNS 快取中

我們可以使用 nslookup 指令來查看 DNS 解析的結果。

nslookup ec2.us-east-1.amazonaws.com

Server:  UnKnown
Address:  172.21.88.206

Non-authoritative answer:
Name:    ec2.us-east-1.amazonaws.com
Address:  52.94.232.172

可以看到 ec2.us-east-1.amazonaws.com 的 IP 是 52.94.232.172。

Step 4: NAT

在把封包送到外部網路之前，因為公網 IP 的稀缺性，很多網路會使用 NAT 來讓多台內部裝置可以共用一個公網 IP 位址來存取外部網路。

NAT 的運作方式如下 :

當內部裝置要存取外部網路時，會將封包發送到 NAT 路由器
NAT 路由器會將內部裝置的 IP 和埠號轉換成公網 IP 和埠號，並記錄這個對應關係
當外部回應到達 NAT 路由器時，會根據之前記錄的對應關係，將封包轉發回正確的內部裝置

這樣一來，內部裝置就可以透過 NAT 路由器共享同一個公網 IP 位址，並且仍然能夠正常地與外部網路進行通訊。

info

根據 RFC 1918，以下是常見的私有 IP 位址範圍 :

10.0.0.0/8
172.16.0.0/12
192.168.0.0/16

由此可知，我們的 IP 位址 172.21.88.186 是屬於私有的 IP 位址範圍，因此我們的網路環境是使用 NAT 的。

Step 5: Routing

現在我們的封包已經出了本地網路，接下來就會透過一連串的路由器來將封包送到目的地。

而在這個過程中，封包需要在 intra-domain 以及 inter-domain 之間進行路由選擇。

Intra-domain routing 是指在同一個自治系統 (AS) 內部進行的路由選擇，ISP 可以自行選擇使用的協議，常見的有 OSPF、RIP 跟 IS-IS 等，現代的大型網路也有可能使用 SDN 來進行路由管理。

Inter-domain routing 則是指在不同自治系統之間進行的路由選擇，使用的協議是 BGP。

可以用 traceroute 來觀察一下封包傳送的路徑。

tracert ec2.us-east-1.amazonaws.com

Tracing route to ec2.us-east-1.amazonaws.com [54.239.28.168]
over a maximum of 30 hops:

   4 ms     1 ms     3 ms  172.21.88.206
   *        *        *     Request timed out.
  20 ms    20 ms    39 ms  10.54.52.202
  39 ms    21 ms    28 ms  10.254.74.147
   *        *        *     Request timed out.
  36 ms    16 ms    30 ms  60-199-4-189.static.tfn.net.tw [60.199.4.189]
  28 ms    18 ms    27 ms  60-199-14-241.static.tfn.net.tw [60.199.14.241]
   *        *       20 ms  ce-1-1-c43-1-200.a01.taiptw01.tw.bb.gin.ntt.net [61.58.33.221]
  23 ms    17 ms    28 ms  ae-2.r24.taiptw01.tw.bb.gin.ntt.net [129.250.6.86]
   *      206 ms   187 ms  ae-0.amazon.dllstx14.us.bb.gin.ntt.net [128.241.14.138]
   *        *        *     Request timed out.
 215 ms   179 ms   188 ms  176.32.125.179
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
   *        *        *     Request timed out.
 236 ms   219 ms   219 ms  54.239.28.168

Trace complete.

可以看到封包經過了多個路由器，其中 static.tfn.net.tw 是台灣大哥大的路由器 (我手機的網路是台灣大哥大)，而 gin.ntt.net 則是一個國際的 AS (AS2914)，也就是說我的封包是先經過台灣大哥大的網路，然後再透過 NTT 的網路送到 Amazon 的伺服器。

除此之外，也可以使用 bgp.he.net 來查看自己的公網 IP 位址所屬的 AS 以及相關資訊。

Step 6: TCP

到目前為止，我們已經成功發送了 DNS 請求，在經過了一連串的路由器之後，終於抵達了 DNS 伺服器並且拿到了 ec2.us-east-1.amazonaws.com 的 IP 位址，接著就要開始發送 HTTP 請求了。

在發送 HTTP 請求之前，首先會透過 TCP 協議來建立一個可靠的連接。

TCP 的三次握手過程如下 :

客戶端發送一個 SYN 封包給伺服器，表示想要建立連接
伺服器收到 SYN 封包後，回應一個 SYN-ACK 封包，表示同意建立連接
客戶端收到 SYN-ACK 封包後，回應一個 ACK 封包，表示連接已經建立

Step 7: TLS

在建立了 TCP 連接之後，為了防止中間人攻擊以及確保資料的機密性，接下來會透過 TLS 協議來進行加密。

Step 8: HTTPS

在完成了 TLS 握手之後，現在我們已經有了一個安全的通道，接下來就可以透過這個通道來發送 HTTPS 請求了。

Step 1: DHCP​

Step 2: ARP​

Step 3: DNS​

Step 4: NAT​

Step 5: Routing​

Step 6: TCP​

Step 7: TLS​

Step 8: HTTPS​