网络寻址过程

一、网联网

1.1、局域网与互联网

局域网
一个最简单的局域网就是家庭用的WLAN，再者你所在的公司或者学校一般也都是一个小的局域网。 
互联网

互联网（internet），又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。给你一个简单的解释，就是将上述的大大小小的局域网连接起来，便形成了互联网。

 

互联网由大大小小的网络组合而成，路由器、交换机、网关等实现了互联网的组网和接入网方式。

二、一封情书的旅程

2.1、局域网内部寻址过程

这么一个现实的场景

你和如花小姐姐在一个城市，你很想他你搬砖之余给如花写了一封情书如上所示（有点重口味了，哈哈）

分析一下这封信，除了你对如花的爱，还能分析出什么呢？假设你办公室里两台计算机，要进行通信，你的计算机是IP1，MAC1，目标计算机是IP2，MAC2给你捋一个对应关系

致如花的一封信通信对应层级
同城市 局域网内 ---
XXOO DATA 应用层
你 源MAC1 数据链路层
如花 目标MAC2 数据链路层
信 物理层的比特流 物理层
邮寄的过程 物理层的数据传输媒介 物理层

你和如花在一个城市，所以你给他的情书，都可以十一路亲自送到如花家里。这个过程类似于局域网内部主机通信，如果两台机器互相知道其MAC地址可以直接交流，前提是互相知道彼此的MAC地址，就像你认识如花一样。如果不认识，就要通过广播找到如花家的地址然后你才能将情书送过去。

是不是很形象？

看标题为什么说是局域网内部寻址过程呢？你会发现整个过程中并没有用到IP地址（并不是真的不需要IP地址，需要局域网IP地址，不过这个地址是用来去获取目标及其的MAC地址用的），只是用到了MAC地址。局域网内部的主机互联互通只需要MAC地址，而不需要IP地址，IP地址的作用是不同局域网的互联互通。

PS：如今比较流行的组网方式是一个逻辑整体（公司，学校等）或者一个区域组一个局域网，再通过交换机接入Internet。因为在局域网
中IP只是逻辑上的划分，不信你可以在你所在的公司或者学校修改一下自己的IP（最好是最后一段），依然能够连上网络。这样的话，
每个人都可以随意修改IP，IP != 用户。所以MAC地址这个时候就有用了，只有MAC地址才能表示用户。交换机中保存了 MAC <-> IP 的
映射关系。局域网访问互联网的唯一通道就是交换机。

 

2.2、互联网寻址过程

4.1中的你写给如花的信件，始终没有说到一个重要的信息，那就是邮编。

PS： 这里将邮编等同于地址，地址和邮编作用差不多，一般的地址会比邮编的定位更加详细，邮编是地理地址数字化的结果，具体请搜索邮
编的作用，我们这里把邮编 == 地址

 

如果你跟如花不在一个城市，她在上海，你在北京，十一路不好使了，你写给如花的信件就要通过邮局才能邮寄到如花手里。邮局就像是互联网，将大家联系起来，能够实现信件互通。

同样类比两台主机的通信，你的主机IP1，MAC1，如花的主机IP2，MAC2。 再来罗列一下这个对应关系。

致如花的一封信通信对应层级
不同公司 互联网 ---
XXOO DATA 应用层
你的邮编 IP 网络层
如花的邮编 IP 网络层
你 源MAC1 数据链路层
如花 目标MAC2 数据链路层
信 物理层的比特流 物理层
邮寄的过程 物理层的数据传输媒介 物理层

你把信放到北京邮政，北京邮政将信件送到上海邮政，然后上海邮政再把信件送到如花手中。上述过程像是两台在不同网络内的计算机通信，邮编是什么？邮编就是IP地址，当两台通信的主机不在同一个局域网内，就需要使用IP地址找到对方所在的局域网，到达局域网内再通过MAC地址将数据送达具体的主机。

从上面两个章节，可以看到这封情书的旅程有点复杂。

  • 北京邮政将信件邮寄到上海邮政　　
    • IP寻址：网络层的工作，通过IP一个局域网到另一个局域网
  • 上海邮政再将信件送到如花手中
    • MAC寻址：数据链路层工作，局域网内寻址
这里还有一个问题：为什么上海邮政能找到如花？因为如花之前在上海邮政邮寄过信件，然后上海邮政知道如花的具体地址。类比到
互联网上，从一个局域网到另一个局域网，那“另一个局域网”怎么找到目标主机的呢？其实上面已经解释了，当前主流的组网方式是
大大小小的局域网通过交换机连接到互联网，交换机就是你所在的局域网的出入口，你也可以验证一下这一点，如果你在家并且你家有
路由器的wifi，两台连接wifi的手机或电脑百度IP地址，你会发现两台设备的IP地址是一样的，get？。交换机也维护了一个ARP表，接
下来就不解释为什么交换机能找到目标主机了。你应该懂了。

 

三、正经的网络寻址过程

第四章节中详细介绍了你和如花的爱情，这个章节正经点，说说网络寻址到底是怎样一个过程。

 

 

 

如上图，现在有发送发：A，接收方：B

  • 主机A
    • 主机A将数据发送到交换机1
    • 网络层封包 IP1 --> IP2
    • 数据链路层封包：MAC1 --> MAC3
    • 物理层将数据转为比特流通过媒介发送数据
  • 交换机1
    • 交换机1将数据发送到路由器
    • 网络层封包 IP1 --> IP2
    • 数据链路层封包：MAC3 --> MAC4
    • 物理层将数据转为比特流通过媒介发送数据　　
  • 路由器　　
    • 路由器将数据发送到交换机2
    • 网络层封包 IP1 --> IP2
    • 数据链路层封包：MAC4 --> MAC5
    • 物理层将数据转为比特流通过媒介发送数据　
  • 交换机2　　
    • 交换机2将数据发往主机B
    • 网络层封包 IP1 --> IP2
    • 数据链路层物理层封包：MAC5 --> MAC2
    • 将数据转为比特流通过媒介发送数据　　

如上所示整个过程就完成了，值得注意的一点是网络层始终都是IP1-->IP2。不断变化的是数据链路层的MAC地址。

以上过程有几个前提，AB主机的IP1和IP2都是外网IP，但是外网IP是有限的，一般的局域网内主机使用的都是内网IP，只有接入互联网的网关（家庭宽带的光猫）才会给分配一个外网的IP。也就是说交换机1和交换机2才是公网IP，这样的话私有IP寻址的问题如何解决？答案是NAT技术。

看红色部分，为什么主机A能找到交换机1？交换机1能找到路由器...

看蓝色部分，为什么主机A知道交换机1的MAC地址为MAC3，交换机1知道路由器的MAC3...

如果主机AB使用的都是内网IP，他们如何找到对方？

带着这三个问题继续往下看。

 

四、ARP协议与RARP协议

ARP(Address Resolution Protocol)，即地址解析协议。ARP表中维护了IP --> MAC地址的映射，另外其为了知道映射关系，需要询问网内的主机，让对方告知其MAC地址，即询问目标IP对应的MAC地址。这也是三章节中，为什么主机A知道交换机1的MAC地址的原因。



如上图所示，如果我们运行一个简单的命令，ping 192.168.1.1（IP2），整个过程大致分为两步。

  •  广播：询问IP2的mac地址。并告知对方自己的IP和MAC地址
  •  响应：IP2回复IP1自己的MAC地址

我们再来细化这个过程

  •  IP1：
    • 查找本地APR地址表
    • 首先IP1会在本地ARP地址表中查找，是否知道IP2的MAC地址。
    •  如果ARP中存在。直接读取MAC2。
    • 如果不知道
    • 发起广播：询问IP2的mac地址。并告知对方对方自己的IP和MAC。
      • 目标主机收到广播进行相应
      • 不是目标的主机收到广播，不响应
  • IP2：
    • 收到IP1的广播并记录：将广播中携带的IP1的IP和MAC地址写入IP2的本地ARP表。
    • 响应IP1。告知对方自己是IP2，MAC为MAC2
  • IP1： 
    • 收到响应，将其MAC地址写入ARP表中。

arp -a然你看看自己真实的ARP缓存表

 

 

4.1、ARP欺骗

ARP协议的基本功能是以广播的形式通过目标主机的IP地址查询目标主机MAC地址。网络内的主机都可以进行ARP应答，如果黑客将自己的主机侵入到你所在的网络内，当一台主机A发起ARP广播，黑客机器进行ARP应答，这样就导致A主机会将接下来的数据发送到黑客机器。
这就是ARP欺骗。

由上可知ARP欺骗的主要原因在于发起广播的主机无法验证应答主机的真伪。

看到了上述的原因，如何解决呢？
ARP欺骗的防范方法：

  • 网关定时发送IP/MAC映射
  • 静态ARP
  • DHCP snooping

4.2、RARP协议

RARP协议是通过MAC地址获取IP的协议，和ARP协议刚好相反。

 

五、路由表

如上图所示，路由表最主要的作用就是决定下一跳的目标地址是哪里。这也就解释了第三章中蓝色部分的问题，主机A怎么知道下一跳的目标是交换机1。

 路由转发过程：先确定最短路径，然后再通过所选路径上的网络传输数据。
　　一个分组到达路由器之后，先于本地路由表中的对应的子网掩码做按位与运算，然后再在本地的路由表中查询，如果与本地IP相同，则已经到达目的端，由当前路由解析数据；如果计算出不是本地IP地址，则此IP为下一跳的路由IP，继续进行路由转发；若在当前路由器中查询不到下一跳地址，即转向默认的下一跳IP。转发分组不可能在一个路由停下，这样会给当前路由的性能造成负担，且每个转发分组的IP数据包的报头中都有一个8位的生存时间TTL，这个生存时间并不是以时间单位计数，而是计算当前已经转发过的路由次数，在源端，设置好最大转发次数值，即生存时间（time to live），每经过一个路由，数值减一，直到最终路由器检查到生存时间为0。则丢弃该分组。[推荐阅读]

 

六、NAT技术

NAT（Network Address Translation）即：网络地址转换。NAT技术致力于将一个局域网络通过一个外网IP接入外网中。

 

 

　　如图所示，在一个局域网中，虽然两台主机使用的是内网IP，但是可以通过交换机1处的网关统一提供的外网IP来接入互联网。
　　如果一台主机B要访问内网中的主机A，主机B如何找到主机A呢？主机B在互谅网中只能找到124.65.126.45的交换机1，NAT技术就作用在这里，NAT技术可以将到达交换机1的请求，映射到主机A上。
为什么需要NAT技术呢？你想想IP地址一共42亿+个，在物联网飞速发展的今天早已经不够用。所以要想办法找到一种方式来节省IP。
另外NAT并不是真的作用在交换机1上，而是其接入网方式决定的。但是可以肯定的是作用在局域网对外的网关上。网关，不陌生吧。

　　NAT如何进行内外网IP的转换的呢？如果让你设计NAT实现，怎么设计？是不是要有一个方法要给主机A做一个标记，让NAT知道访问主机A的请求是访问主机A的，而不是主机B。绕吗？这个作为不同服务器的标记就是传输层的端口。
如果是传输层的端口的话，是不是就意味着，一个局域网内对外提供8080端口的主机只有一台？是的，也不是，因为可以有平衡负载。
如果一个局域网内多台机器都提供8080端口的服务，NAT会对其进行平衡负载。

PS：不要惊讶于这种设计方式，思考下，在你公司或者学校里面，你的电脑会对外网提供服务吗？不会的，因为我
们作为互联网的使用者，我们的需求只是访问互联网，获取我们需要的呃信息即可。什么样的局域网需要对外提供服务？
嗯，如果你是一个程序员，你可能已经明白了就是服务端。各大网站、APP的服务端。所以说，这种用端口来区分内部
主机的方式是没问题的。

 

 

如上如图表所示，局域网内 出 & 入 的IP转换。

 

posted @ 2020-10-23 10:09  超级小小黑  阅读(6265)  评论(3)  编辑  收藏  举报