【粉絲問答7】區域網內終端是如何訪問外網？答案在最後
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，並實現上網的？
粉絲提問，一口君必須滿足！
好在一口君對網路協議還是比較熟悉的，畢竟當年也有幾篇專利，做過的網路協議模組一大堆。
【本文預設大家瞭解了IP地址，及其分類】
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. 家庭網路簡介
如上圖是一口君家庭網路組網環境。
- 要連線公網，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口連結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
- 桌上型電腦、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區域網地址，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
- 區域網內終端通過共享WAN地址上網，所有走wlan路由器的資料包都要通過NAT協議進行源、目的IP，源、目的埠號的轉換
- 區域網內終端之間通訊執行的是乙太網協議，網絡卡通過mac地址過濾資料幀
- 要獲取區域網內其他網口的mac地址需要通過arp協議
- 公網內路由器之間資料傳輸一般是ppp協議
WAN口地址：100.87.59.254
2. 本地IP地址
一口君的pc是通過無線連線的無線路由器。
PC網路資訊如下：
ipconfig /all
本機無線網絡卡資訊：
ip地址:192.168.0.104
mac地址：44-33-4C-FF-5A-22
子網掩碼：255.255.255.0
預設閘道器：192.168.0.1
DHCP伺服器：192.168.0.1
後面幾章我們普及下一些網路的基礎知識。
二、router路由器
路由器（Router）是網際網路的主要結點裝置。路由器通過路由決定資料的轉發。
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）。
作為不同網路之間互相連線的樞紐，路由器系統構成了基於TCP/IP 的國際網際網路絡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個物理連線網口。既可以通過網線連線，也可以通過無線連線，通常頻寬100M到450M。
此外還有隻有在一些大型的機房中才能看到的大型路由器。
這些路由器效能強悍，頻寬可高達T一級。
以下是1個企業級網路的組網拓撲圖，我們通常用圖中的圖標表示路由器：
路由器的一些使用規則：
- 路由器工作在IP(網路)層;
- 路由器用來連線不同的網路；
- 路由器的每一個介面都必須是不同網段的；
- 路由器之間互聯是介面直接連線，一般用ppp協議通訊；
- 處於不同網路中的2個裝置要想互相通訊，必須通過路由器；
- 一個成熟穩定的網路，路由器必須知道每一個網路裝置到達另外一個網路的通路，否則會直接丟棄，路由器通過路由表來維護這些通路；
- 路由器只解析到資料包的IP層（傳輸層和應用層不會檢視）
三、路由表
剛才我們說了，公網裡，資料包要想到達目的地，必須通過裝置路由器，那麼路由器是如何知道把資料包送到目的地的呢？
就要通過路由表。
1. ip頭
公網中的資料包都是ip資料包，ip資料包頭中有個非常重要的協議欄位：目的地址。
一口君隨機抓取了一個本機網路通訊的ip資料包：
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資料包就是靠路由表和ip資料包的目的ip地址+源ip地址。
2. 路由表
以下是windows下的路由表
route print
路由表中包含了若干個路由條目。
PC路由條目：
| 名稱 | 說明 |
|---|---|
| 網路目標 | 表示要到達某個網段的網路，可以查詢該條路由條目 |
| 網路掩碼 | 點分十進位制法，配合網路目標，可得出最終的目標網路號 |
| 閘道器 | 資料包要傳送給哪個網口所在的路由器 |
| 介面 | 表示資料包要從哪個本地的介面傳送出去 |
| 躍點數 | 資料包在網路中最多能經過多少個路由器，放置資料包在網路中無限轉發 |
永久路由：
| 網路地址 | 網路掩碼 | 閘道器地址 | 躍點數 |
|---|---|---|---|
| 0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 192.168.0.1 | 預設 |
該條路由其實是一條預設路由，表示如果查詢不到路由條目，就將資料包傳送給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路的通路的呢？
通常藉助ospf、rip等協議可以動態學會到達各個網路的協議。
廣域網中的裝置路由協議更加複雜，往往需要專業的網路工程師搭建網路。
此塊內容不再
四、DHCP+wlan
家用路由器也是路由器一種，只是他只能連線兩個網路，一個是區域網，一個是與運營商連線的那個網路。
無線路由器上設定撥號賬號以及設定無線ssid、密碼在此不討論。
1. PPPOE撥號
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。
撥號成功後悔獲得一個公網IP。
如果擁有一個固定的公網IP，那麼此處也可以設定固定ip。
一口君當年第一份工作是在ZTE，參與開發的第一個專案就是在路由器中實現PPPoE client模組，一把辛酸淚啊。
2. DHCP
DHCP（動態主機配置協議）是一個區域網的網路協議。指的是由伺服器控制一段IP地址範圍，客戶機登入伺服器時就可以自動獲得伺服器分配的IP地址和子網掩碼。
如上，地址池地址是192.168.0.100~192.168.0.199；
這就是為什麼我們的終端連線家用路由器之後，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伺服器地址和閘道器地址。
這也就是為什麼，我們並沒有設定任何路由條目，但是我們能上網的原因。
以下是連線到無線路由器的客戶端的MAC地址和IP地址資訊：
3. 區域網
乙太網是一種區域網，但是因為現在大部分的區域網均為乙太網，因此一般提及區域網都會預設為乙太網。
乙太網是一種匯流排型區域網，它並不是一種具體網路，而是一種技術規範，由施樂公司建立，並由施樂、Intel和Dec公司聯合開發的區域網規範。
上述家用的無線網路，大多數是無線區域網，是基於IEEE802.11標準，在這個標準下的無線區域網大多使用的是2.4GHz 或5GHz的射頻。
工作原理：
採用載波監聽多點接入/碰撞檢測（CSMA/CD）機制。
乙太網中結點都可以收到在網路中傳送的所有資訊。因此，乙太網是一種廣播網路。
例項：
總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 傳送的資料訊號。
由於只有計算機 D 的地址與資料幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個資料幀。
其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是傳送給它們的資料幀，因此就丟棄這個資料幀而不能夠收下來。
這樣就在具有廣播特性的總線上實現了一對一的通訊。
4. Mac地址
在乙太網中，硬體地址又稱為實體地址，或 MAC 地址，６個位元組，共48 位。
IEEE 的註冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址欄位的前三個位元組(即高位 24 位)。
介面卡從網路上每收到一個 MAC 幀就首先用硬體檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.
如果是發往本站的幀則收下，然後再進行其他的處理,否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。
5. ARP
假如我們要訪問區域網中的另外一個pc上的程序，假設我們只知道對方的IP地址，那麼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介面，當主機要傳送一個IP包的時候，會首先查一下自己的ARP快取記憶體（就是一個IP-MAC地址對應表快取），如果查詢的IP－MAC值不存在，那麼主機就向網路傳送一個ARP協議廣播包。
這個廣播包裡面就有待查詢的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，那麼就準備好一個包含自己的MAC地址的ARP包傳送給傳送ARP廣播的主機。
而廣播主機拿到ARP包後會更新自己的ARP快取（就是存放IP-MAC對應表的地方）。傳送廣播的主機就會用新的ARP快取資料準備好資料鏈路層的的資料包傳送工作。
windows 的arp表查詢：
arp -a
如上圖所示，是PC快取的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
最後一個知識點是，區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，網路地址轉換）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訊（並不需要加密）時，可使用NAT方法。
這種方法需要在專用網連線到因特網的路由器上安裝NAT軟體。裝有NAT軟體的路由器叫做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訊時，都要在NAT路由器上將其本地地址轉換成全球IP地址，才能和因特網連線。
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，將有助於減緩可用的IP地址空間的枯竭。在RFC 2663中有對NAT的說明。
舉例：
經過NAT轉換的資料包IP地址替換見下圖：
如上圖所示：
- 從區域網內部發往路由器的資料包，源ip：192.168.0.104，經過路由器之後源ip替換為WAN口地址：100.87.59.254
- 從伺服器返回的資料包目的ip地址：100.87.59.254，經過路由器之後又被替換成了192.168.0.104，這樣資料包就可以傳送到區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裝置分配的用於公網定址，lan口地址在路由器中設定, 用於和區域網內終端通訊
- 終端連線無線路由器時，路由器通過dhcp協議給終端分配了動態ip地址，通過DHCP的地址池可以設定分配的ip地址的範圍
- 分配ip地址的時候，同時終端會將無線路由器的lan口地址設定為自己的預設閘道器，所以pc訪問外網，所有的資料包都會發送給閘道器，就是無線路由器
- 當用戶要訪問外網的時候，需要知道閘道器的mac地址，如果arp快取中沒有對應的的arp條目，那麼就通過arp協議找到lan口的mac地址，因為閘道器地址已分配
- 區域網內終端通過共享WAN地址上網，所有走wlan路由器的資料包都要通過NAT協議進行源、目的IP，源、目的埠號的轉換