计算机网络协议——网关

MAC 头和 IP 头的细节

    一旦配置了 IP 地址和网关，往往就能够指定目标地址进行访问了。由于在跨网关访问的时候，牵扯到 MAC 地址和 IP 地址的变化，这里有必要详细了解一下 MAC 头和 IP 头的细节。

    在 MAC 头里面，先是目标 MAC 地址，然后是源 MAC 地址，然后有一个协议类型，用来说明里面是 IP 协议。IP 头里面的版本号，目前主流的是 IPv4，服务类型 TOS 。另外，还有 8 位标识协议。这里到了下一层的协议，也就是，是 TCP 还是 UDP。最重要的就是源 IP 和目标 IP。先是源 IP 地址，然后是目标 IP 地址。

    在任何一台机器上，当要访问另一个 IP 地址的时候，都会先判断，这个目标 IP 地址，和当前机器的 IP 地址，是否在同一个网段。怎么判断同一个网段呢？需要 CIDR 和子网掩码。

    如果是同一个网段，例如，访问你旁边的电脑，那就没网关什么事情，直接将源地址和目标地址放入 IP 头中，然后通过 ARP 获得 MAC 地址，将源 MAC 和目的 MAC 放入 MAC 头中，发出去就可以了。

    如果不是同一网段，这就需要发往默认网关 Gateway。Gateway 的地址一定是和源 IP 地址是一个网段的。往往不是第一个，就是第二个。例如 192.168.1.0/24 这个网段，Gateway 往往会是 192.168.1.1/24 或者 192.168.1.2/24。

    发往默认网关，这个过程就和发往同一个网段的其他机器是一样的：将源地址和目标 IP 地址放入 IP 头中，通过 ARP 获得网关的 MAC 地址，将源 MAC 和网关的 MAC 放入 MAC 头中，发送出去。网关所在的端口，例如 192.168.1.1/24 将网络包收进来，然后接下来怎么做，就完全看网关的了。

    网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备。所谓三层设备，就是把 MAC 头和 IP 头都取下来，然后根据里面的内容，看看接下来把包往哪里转发的设备。

    一个路由器往往有多个网口，如果是一台服务器做这个事情，则就有多个网卡，其中一个网卡是和源 IP 同网段的。

    很多情况下，把网关就叫作路由器是不完全准确的。路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网。每只手的 IP 地址都和局域网的 IP 地址相同的网段，每只手都是它握住的那个局域网的网关。

    任何一个想发往其他局域网的包，都会到达其中一只手，被拿进来，拿下 MAC 头和 IP 头，看看，根据自己的路由算法，选择另一只手，加上 IP 头和 MAC 头，然后扔出去。

静态路由是

    静态路由，其实就是在路由器上，配置一条一条规则。这些规则包括：想访问 BBS 站（它肯定有个网段），从 2 号口出去，下一跳是 IP2；想访问教学视频站（它也有个自己的网段），从 3 号口出去，下一跳是 IP3，然后保存在路由器里。

    每当要选择从哪只手抛出去的时候，就一条一条的匹配规则，找到符合的规则，就按规则中设置的那样，从某个口抛出去，找下一跳 IPX。

IP 头和 MAC 头的变化？

    MAC 地址是一个局域网内才有效的地址。因而，MAC 地址只要过网关，就必定会改变，因为已经换了局域网。两者主要的区别在于 IP 地址是否改变。不改变 IP 地址的网关，称为转发网关；改变 IP 地址的网关，称为NAT 网关。

    服务器 A 要访问服务器 B。首先，服务器 A 会思考，192.168.4.101 和它是不是一个网段的，因而需要先发给网关。那网关是谁呢？已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1。网关的 MAC 地址是多少呢？发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容如下：

• 源 MAC：服务器 A 的 MAC
• 目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目标 IP：192.168.4.101

    包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

    在路由器 A 中配置了静态路由之后，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，下一跳为 192.168.56.2。

    于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2，路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

• 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址
• 目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址
• 源 IP：192.168.1.101
• 目标 IP：192.168.4.101

    包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

    在路由器 B 中配置了静态路由，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.4.1 这个口出去，没有下一跳了。因为右手这个网卡，就是这个网段的，是最后一跳了。

    于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.4.1 这个口发出去，发给 192.168.4.101。路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.4.101 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容如下：

• 源 MAC：192.168.4.1 的 MAC 地址
• 目标 MAC：192.168.4.101 的 MAC 地址
• 源 IP：192.168.1.101
• 目标 IP：192.168.4.101

    包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

    通过这个过程可以看出，每到一个新的局域网，MAC 都是要变的，但是 IP 地址都不变。在 IP 头里面，不会保存任何网关的 IP 地址。所谓的下一跳是，某个 IP 要将这个 IP 地址转换为 MAC 放入 MAC 头。

这里遇见的第一个问题是，局域网之间没有商量过，各定各的网段，因而 IP 段冲突了。最左面大唐的地址是 192.168.1.101，最右面印度的地址也是 192.168.1.101，如果单从 IP 地址上看，简直是自己访问自己，其实是大唐的 192.168.1.101 要访问印度的 192.168.1.101。

    在中间的局域网里面，就需要使用另外的地址。就像出国，不能用咱们自己的身份证，而要改用护照一样。

    首先，目标服务器 B 在国际上要有一个国际的身份，我们给它一个 192.168.56.2。在网关 B 上，记下来，国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101。凡是要访问 192.168.56.2，都转成 192.168.1.101。

    于是，源服务器 A 要访问目标服务器 B，要指定的目标地址为 192.168.56.2。这是它的国际身份。服务器 A 想，192.168.56.2 和我不是一个网段的，因而需要发给网关，网关已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1，发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容如下：

• 源 MAC：服务器 A 的 MAC
• 目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目标 IP：192.168.56.2

    包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

    在路由器 A 中配置了静态路由：要想访问 192.168.56.2/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，没有下一跳了，因为右手这个网卡，就是这个网段的，是最后一跳了。

    于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2。路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址。

    当网络包发送到中间的局域网的时候，服务器 A 也需要有个国际身份，因而在国际上，源 IP 地址也不能用 192.168.1.101，需要改成 192.168.56.1。发送包的内容是这样的：

• 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址
• 目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址
• 源 IP：192.168.56.1
• 目标 IP：192.168.56.2

    包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

    路由器 B 是一个 NAT 网关，它上面配置了，要访问国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101，于是改为访问 192.168.1.101。

    在路由器 B 中配置了静态路由：要想访问 192.168.1.0/24，要从 192.168.1.1 这个口出去，没有下一跳了，因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

    于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.1.1 这个口发出去，发给 192.168.1.101。

    路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.1.101 的 MAC 地址，然后发送包。内容如下：

• 源 MAC：192.168.1.1 的 MAC 地址
• 目标 MAC：192.168.1.101 的 MAC 地址
• 源 IP：192.168.56.1
• 目标 IP：192.168.1.101

    包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

    从服务器 B 接收的包可以看出，源 IP 为服务器 A 的国际身份，因而发送返回包的时候，也发给这个国际身份，由路由器 A 做 NAT，转换为国内身份。

    从这个过程可以看出，IP 地址也会变。这个过程用英文说就是Network Address Translation，简称NAT。

    其实这第二种方式经常见，现在大家每家都有家用路由器，家里的网段都是 192.168.1.x，所以肯定访问不了邻居家的这个私网的 IP 地址的。所以，当家里的包发出去的时候，都被家用路由器 NAT 成为了运营商的地址了。

    很多办公室访问外网的时候，也是被 NAT 过的，因为不可能办公室里面的 IP 也是公网可见的，公网地址是非常贵的，所以一般就是整个办公室共用一个到两个出口 IP 地址。