局域網內終端是如何訪問外網？答案在最后
0. 粉絲提問
粉絲提問：「我們的電腦是如何獲得路由器自動分配的ip地址，并實現上網的?」
粉絲提問，一口君必須滿足!好在一口君對網絡協議還是比較熟悉的，畢竟當年也有幾篇專利，做過的網絡協議模塊一大堆。
【本文默認大家了解了IP地址，及其分類】
粉絲提問
一、家庭網
這個問題說難不難，但是要想解釋清楚，我們還是需要一些基礎知識。
1. 家庭網絡簡介
如上圖是一口君家庭網絡組網環境。
- 要連接公網，必須通過Modem撥號才能上網，撥號通過pppoe協議撥號
- wlan路由器的wan口鏈接ADSL 貓，會動態獲取一個公網IP地址100.87.59.254，在廣域網內，任何一個主機，均可以訪問到該ip地址
- 臺式機、手機、ipad、筆記本等終端可以通過有線或者無線的方式通過共享無線路由器的wan口訪問公網
- 終端通過路由器的dhcp協議自動獲取的地址是局域網地址，pc獲得地址是192.168.0.104，網段是192.168.0.0/24，但是我們無法使用該地址直接訪問公網
- 局域網內終端通過共享WAN地址上網，所有走wlan路由器的數據包都要通過NAT協議進行源、目的IP，源、目的端口號的轉換
- 局域網內終端之間通信運行的是以太網協議，網卡通過mac地址過濾數據幀
- 要獲取局域網內其他網口的mac地址需要通過arp協議
- 公網內路由器之間數據傳輸一般是ppp協議
WAN口地址：「100.87.59.254」
2. 本地IP地址
一口君的pc是通過無線連接的無線路由器。PC網絡信息如下：
- ipconfig /all
本機無線網卡信息：
ip地址:「192.168.0.104」mac地址：「44-33-4C-FF-5A-22」子網掩碼：「255.255.255.0」默認網關：「192.168.0.1」DHCP服務器：「192.168.0.1」
后面幾章我們普及下一些網絡的基礎知識。
二、router路由器
路由器(Router)是互聯網的主要結點設備。路由器通過路由決定數據的轉發。
轉發策略稱為路由選擇(routing)，這也是路由器名稱的由來(router，轉發者)。
作為不同網絡之間互相連接的樞紐，路由器系統構成了基于TCP/IP 的國際互聯網絡Internet 的主體脈絡，也可以說，路由器構成了Internet的骨架。
第一章圖中的無線路由器就是我們最常用的路由器。
通常有一個wan口，4個物理連接網口。既可以通過網線連接，也可以通過無線連接，通常帶寬100M到450M。
此外還有只有在一些大型的機房中才能看到的大型路由器。這些路由器性能強悍，帶寬可高達T一級。
路由器
以下是1個企業級網絡的組網拓撲圖，我們通常用圖中的圖標表示路由器：
企業級網絡拓撲結構
路由器的一些使用規則：
- 路由器工作在IP(網絡)層;
- 路由器用來連接不同的網絡;
- 路由器的每一個接口都必須是不同網段的;
- 路由器之間互聯是接口直接連接，一般用ppp協議通信;
- 處于不同網絡中的2個設備要想互相通信，必須通過路由器;
- 一個成熟穩定的網絡，路由器必須知道每一個網絡設備到達另外一個網絡的通路，否則會直接丟棄，路由器通過路由表來維護這些通路;
- 路由器只解析到數據包的IP層(傳輸層和應用層不會查看)
三、路由表
剛才我們說了，公網里，數據包要想到達目的地，必須通過設備路由器，那么路由器是如何知道把數據包送到目的地的呢?
就要通過路由表。
1.「ip頭」
公網中的數據包都是ip數據包，ip數據包頭中有個非常重要的協議字段：「目的地址」。
一口君隨機抓取了一個本機網絡通信的ip數據包：
如上圖所示， 源ip地址是：192.168.0.104 目的ip地址是：140.246.147.33
很顯然，源地址是一個c類地址，就是本機地址，也是一個私網地址， 目的地址是一個公網地址。
路由器之所以能轉發數據包就是靠路由表和ip數據包的目的ip地址+源ip地址。
2. 路由表
以下是windows下的路由表
- route print
windows路由表
路由表中包含了若干個路由條目。
「PC路由條目：」
| 名稱 | 說明 |
|---|---|
| 網絡目標 | 表示要到達某個網段的網絡，可以查詢該條路由條目 |
| 網絡掩碼 | 點分十進制法，配合網絡目標，可得出最終的目標網絡號 |
| 網關 | 數據包要發送給哪個網口所在的路由器 |
| 接口 | 表示數據包要從哪個本地的接口發送出去 |
| 躍點數 | 數據包在網絡中最多能經過多少個路由器，放置數據包在網絡中無限轉發 |
永久路由：
| 網絡地址 | 網絡掩碼 | 網關地址 | 躍點數 |
|---|---|---|---|
| 0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 192.168.0.1 | 默認 |
該條路由其實是一條默認路由，表示如果查找不到路由條目，就將數據包發送給192.168.0.1這個ip地址所在的路由器。
3. 公網中路由器非常的多，路由器是如何知道到達所有的網絡的通路的呢?
通常借助ospf、rip等協議可以動態學會到達各個網絡的協議。
廣域網中的設備路由協議更加復雜，往往需要專業的網絡工程師搭建網絡。
此塊內容不再
四、DHCP+wlan
家用路由器也是路由器一種，只是他只能連接兩個網絡，一個是局域網，一個是與運營商連接的那個網絡。
無線路由器上設置撥號賬號以及設置無線ssid、密碼在此不討論。
1. PPPOE撥號
圖片家用路由器上網通常是通過PPPoE撥號上網，賬號密碼由運營商提供。
撥號成功后會獲得一個公網IP。
如果擁有一個固定的公網IP，那么此處也可以設置固定ip。
「一口君當年第一份工作是在ZTE，參與開發的第一個項目就是在路由器中實現PPPoE client模塊，一把辛酸淚啊。」
2. DHCP
DHCP(動態主機配置協議)是一個局域網的網絡協議。指的是由服務器控制一段IP地址范圍，客戶機登錄服務器時就可以自動獲得服務器分配的IP地址和子網掩碼。
圖片如上，地址池地址是192.168.0.100~192.168.0.199;這就是為什么我們的終端連接家用路由器之后，獲得地址「192.168.0.104」。
分配動態ip地址的時候，同時也會分配DNS服務器地址和網關地址。這也就是為什么，我們并沒有設置任何路由條目，但是我們能上網的原因。
以下是連接到無線路由器的客戶端的MAC地址和IP地址信息：
3. 局域網
以太網是一種局域網，但是因為現在大部分的局域網均為以太網，因此一般提及局域網都會默認為以太網。
以太網是一種總線型局域網，它并不是一種具體網絡，而是一種技術規范，由施樂公司創建，并由施樂、Intel和Dec公司聯合開發的局域網規范。
上述家用的無線網絡，大多數是無線局域網，是基于IEEE802.11標準，在這個標準下的無線局域網大多使用的是2.4GHz 或5GHz的射頻。
「工作原理：」
采用載波監聽多點接入/碰撞檢測(CSMA/CD)機制。
以太網中結點都可以收到在網絡中傳送的所有信息。因此，以太網是一種廣播網絡。
「實例：」
總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。由于只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。其他所有的計算機(A, C 和 E)都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。這樣就在具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。
4. Mac地址
在以太網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址，6個字節，共48 位。
IEEE 的注冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(即高位 24 位)。
適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.
如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理,否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。
5. ARP
假如我們要訪問局域網中的另外一個pc上的進程，假設我們只知道對方的IP地址，那么如何才能知道對方的mac地址呢?
可以通過ARP協議。
ARP(地址解析)協議是一種解析協議，本來主機是完全不知道這個IP對應的是哪個主機的哪個接口，當主機要發送一個IP包的時候，會首先查一下自己的ARP高速緩存(就是一個IP-MAC地址對應表緩存)，如果查詢的IP-MAC值不存在，那么主機就向網絡發送一個ARP協議廣播包。
這個廣播包里面就有待查詢的IP地址，而直接收到這份廣播的包的所有主機都會查詢自己的IP地址，如果收到廣播包的某一個主機發現自己符合條件，那么就準備好一個包含自己的MAC地址的ARP包傳送給發送ARP廣播的主機。
而廣播主機拿到ARP包后會更新自己的ARP緩存(就是存放IP-MAC對應表的地方)。發送廣播的主機就會用新的ARP緩存數據準備好數據鏈路層的的數據包發送工作。
windows 的arp表查詢：
- arp -a
如上圖所示，是PC緩存的arp表。其中192.168.0.1 80-8f-1d-c7-a6-07就是無線路由器的LAN口ip地址、MAC地址。
5. NAT
最后一個知識點是，局域網內的終端是如何共用一個wan口來上網的?
主要通過NAT(Network Address Translation，網絡地址轉換)協議來實現的。
NAT是1994年提出的。當在專用網內部的一些主機本來已經分配到了本地IP地址(即僅在本專用網內使用的專用地址)，但現在又想和因特網上的主機通信(并不需要加密)時，可使用NAT方法。
這種方法需要在專用網連接到因特網的路由器上安裝NAT軟件。裝有NAT軟件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球IP地址。這樣，所有使用本地地址的主機在和外界通信時，都要在NAT路由器上將其本地地址轉換成全球IP地址，才能和因特網連接。
另外，這種通過使用少量的公有IP 地址代表較多的私有IP 地址的方式，將有助于減緩可用的IP地址空間的枯竭。在RFC 2663中有對NAT的說明。
「舉例：」
經過NAT轉換的數據包IP地址替換見下圖：
NAT
如上圖所示：
從局域網內部發往路由器的數據包，源ip：192.168.0.104，經過路由器之后源ip替換為WAN口地址：100.87.59.254
從服務器返回的數據包目的ip地址：100.87.59.254，經過路由器之后又被替換成了192.168.0.104，這樣數據包就可以發送到局域網內部的某個終端了
五、 總結
綜上，我們可知，粉絲的問題答案：
- 路由器的IP地址分wan口和lan口，wan口地址是PPPoE撥號時運營商的其他設備分配的用于公網尋址，lan口地址在路由器中設置, 用于和局域網內終端通信
- 終端連接無線路由器時，路由器通過dhcp協議給終端分配了動態ip地址，通過DHCP的地址池可以設置分配的ip地址的范圍
- 分配ip地址的時候，同時終端會將無線路由器的lan口地址設置為自己的默認網關，所以pc訪問外網，所有的數據包都會發送給網關，就是無線路由器
- 當用戶要訪問外網的時候，需要知道網關的mac地址，如果arp緩存中沒有對應的的arp條目，那么就通過arp協議找到lan口的mac地址，因為網關地址已分配
- 局域網內終端通過共享WAN地址上網，所有走wlan路由器的數據包都要通過NAT協議進行源、目的IP，源、目的端口號的轉換
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