公共IP寻址过程 与 局域网 IP的转换

封装与解封装

封装

所谓封装是指在发送方发生的自上而下的过程 —— 在每一层为应用数据添加上特定的头部 / 尾部信息（ PDU ， Protocol Data Unit ，协议数据单元） Application （应用程序） →segment （数据段） →packet （数据包） →frame （数据帧） →bit （比特，二进制位）

解封装

所谓解封装是指在接收方发生的自下而上的过程 —— 逐层的去掉头部以及尾部信息 由于今天我们只讨论数据传输过程，所以只牵涉到数据的四层以下封装。

假设现在 A 要向 B 发送数据，那么 A 首先要对发送的数据进行封装，在每一层会加上相应的数据头，传输层主要是加上源和目标端口号，网络层则加源和目标 IP 地址，数据链路层则加上源和目标 MAC 地址

1、 通过二层设备交换机直连的两台主机之间数据传输

1) 由于 A 现在只知道 B 的 IP 地址，并不知道 B 的 MAC 地址，而二层设备交换机并不会按 IP 地址来转发数据，所以这时 A 会发一个 ARP 广播，目标 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF，询问 IP 地址为 192.168.0.2 的 MAC 地址是多少

2) 交换机收到该帧后，发现是广播帧，于是转发到其它所有端口，并且会将该帧的源 MAC 地址（即 A 的 MAC 地址）添加到自己的 MAC 地址表中去 3) B 当然会收到该帧，于是和自己的 IP 进行对比，发现匹配后，再以Ａ为目标Ｍ AC 地址响应Ａ的ＡＲＰ请求帧

4) 交换机收到Ｂ的回复帧后，将该帧的目标ＭＡＣ地址与自己的ＭＡＣ地址表进行对照，发现该帧对应的的端口是 F0/1 ，于是将帧转发到 F0/1 端口（如果数据帧的目标 MAC 地址在表中不存在，则会转发到除源端口外的其它所有端口），同时将该帧的源 MAC 地址（即 B 的 MAC 地址）加到自己的 MAC 地址表中

5) A 收到 B 的回复帧后，得知 192.168.0.2 的 MAC 地址是 2c 26.1ae3.2222 ，于是该信息保存到本地的 ARP 高速缓存中，同时以 B 的 MAC 地址为目标地址将要传的数据封装成帧，发送出去

6) 交换机再次收到 A 的数据帧，发现目的 MAC 地址是 2c 26.1ae3.2222 ，并且该地址对应的端口是 F0/2 ，于是将该数据转发到 F0/2 端口

7) B 成功收到 A 发来的数据

2、 跨三层设备路由器的两台主机之间数据传输

1) 由于 B 的 IP 地址并没有和 A 在一个网段，所以当 A 向 B 发送数据时， A 并不会直接把数据给 B ，而是交给自己的网关，也就是 192.168.0.254 ，所以 A 首先会 ARP 广播请求 192.168.0.254 的 MAC 地址

2) A 得到网关的 MAC 地址后，以它为数据帧的目标 MAC 地址进行封装数据，并发送出去

3) routerA 收到该帧后，检查该帧的目标 IP ，并到自己的路由表查找如何到达该网段，发现能够到过，并且下一跳地址是 routerB 的 s0 端口，于是将数据重新封装，将源地址改为 s0 端口 MAC 地址，目标 MAC 地址改为 routerB 的 s0 端口 MAC 址址，并发送给 routerB

4) 中间路由器传递过程同理

5) 最后一个路由（此例为 routerC ）收到该帧，发现目标 IP 就在自己的直连网段，于是查看 ARP 缓存，如果找到该 IP 的 MAC 地址，则以该 MAC 地址封装数据发送出去，如果在 ARP 缓存没找到，则发出 ARP 广播，请求该 IP 的 MAC 地址，得到对应的 MAC 地址后，再发送给主机 B 在以上数据传递过程中，我们发现，数据帧的源 IP 和目标 IP 始终是不变的，而经过每个路由进行重新封装数据时 MAC 地址则在不断的变化，总是以自己的地址作为源 MAC 地址，下一跳的地址作为目标 MAC 地址

上面是 因特网上全球唯一的IP 地址的寻找转发过程，如果我们现在是在局域网内部发送消息到公网IP，应该怎么做呢？

这就是涉及到一个概念：NAT. NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是1994年提出的

RFC 1918 为私有网络预留出了三个IP 地址块，如下：

A 类：10.0.0.0～10.255.255.255

B 类：172.16.0.0～172.31.255.255

C 类：192.168.0.0～192.168.255.255

上述三个范围内的地址不会在因特网上被分配，因此可以不必向ISP 或注册中心申请而在公司或企业内部自由使用。

随着接入Internet的计算机数量的不断猛增，IP地址资源也就愈加显得捉襟见肘。事实上，一般用户几乎申请不到整段的C类IP地址。在其他ISP那里，即使是拥有几百台计算机的大型局域网用户，当他们申请IP地址时，所分配的地址也不过只有几个或十几个IP地址。显然，这样少的IP地址根本无法满足网络用户的需求，于是也就产生了NAT技术。

借助于NAT，私有（保留）地址的"内部"网络通过 路由器发送 数据包时， 私有地址被转换成合法的IP地址，一个局域网只需使用少量IP地址（甚至是1个）即可实现私有地址网络内所有计算机与Internet的通信需求。

NAT将自动修改IP 报文的源IP地址和目的IP地址，Ip地址校验则在NAT处理过程中自动完成。有些应用程序将源IP地址嵌入到IP 报文的数据部分中，所以还需要同时对报文的数据部分进行修改，以匹配IP头中已经修改过的源IP地址。否则，在 报文数据部分嵌入IP地址的应用程序就不能正常工作。

NAT的实现方式有三种，即静态转换Static Nat、动态转换Dynamic Nat和端口多路复用OverLoad。

静态 转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，IP地址对是一对一的，是一成不变的，某个私有IP地址只转换为某个公有IP地址。借助于 静态转换，可以实现外部网络对内部网络中某些特定设备（如服务器）的访问。

动态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址是不确定的，是随机的，所有被授权访问上Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定的合法IP地址。也就是说，只要指定哪些内部地址可以进行转换，以及用哪些合法地址作为外部地址时，就可以进行动态转换。动态转换可以使用多个合法外部地址集。当 ISP提供的合法IP地址略少于网络内部的计算机数量时。可以采用动态转换的方式。

端口多路复用（ Port address Translation,PAT)是指改变外出数据包的 源端口并进行端口转换，即端口 地址转换（PAT，Port Address Translation).采用端口多路复用方式。内部网络的所有 主机均可共享一个合法外部IP地址实现对Internet的访问，从而可以最大限度地节约IP地址资源。同时，又可隐藏网络内部的所有 主机，有效避免来自internet的攻击。因此，目前网络中应用最多的就是端口多路复用方式。