码农翻身讲网络：网卡和路由器的故事
我是一个网卡
我是一个路由器
我出生在深圳的一家工厂，然后飘洋过海来到美国，被安装到一个电脑里， 然后这个电脑又漂洋过海， 被运到了中国。
我知道我的使命就是传递信件，但有一个前提：我需要知道对方的地址才行，其实我们网卡都有一个全球唯一的地址，这个地址一出生就确定了，就像你们人类的身份证一样，终生不变。 无论我走到哪里，我都拥有这个唯一的标志：11:27:F5: 8A:79:54 ， 挺长的是吧，你们人类把它叫做MAC地址， 简单起见， 你可以叫我 “TP-Link 7954”
刚开始的时候我非常孤独，因为这台电脑虽然经常开机，但却不联网，真不知道主人是怎么想的！
不上网就没人来找我发信，不发信我也就没什么价值，也没人搭理我，我整天听着CPU阿甘和金士顿内存在那里喋喋不休的聊天，真是烦死了。
（公众号“码农翻身”注：参见文章《CPU阿甘》）
只是这两人都记不住对方，每次重启都像是第一次相识，实在是太搞笑了。
1
DHCP
在我入住机箱30天以后，音箱向大家报告说：“主人终于决定要上网了” 这绝对是个重磅新闻！
我很兴奋，大家也很兴奋，早就听说外边的世界很精彩了。
一天晚上，只听到“咔嗒”一声， 一个RJ45的网线插头便和我亲密接触了。
网线的那头传来了陌生而熟悉的声音，我的潜意识告诉我，那是交换机在转发信件 。
CPU阿甘看到了这种情况，也不和金士顿内存聊天了，他对着我大叫一声： TP-Link 你在等啥，赶紧上网啊。
这是他第一次和我说话。
操作系统老大是见过世面的，他镇定的说： “心急吃不了热豆腐， 我们得先搞一个IP地址才行。 这需要用到DHCP(动态主机配置协议)”
阿甘说： “谁那里有IP地址啊？”
“这个网络里应该有DHCP 服务器，可以动态的分配地址， 我们可以发个信广播下 ” 老大接着说 “ 阿甘，你和金士顿赶紧写一封信：”
收件人 ： 255.255.255.255 : 67
发件人 ： 0.0.0.0 ：68
内容： 我想租用一个Ip地址， 谁有啊？
（公众号“码农翻身”注： 这里我做了简化， 实际上这里首先是一个应用层的DHCP发现报文， 然后被一个UDP的报文封装，然后再被一个IP的数据报封装。形象化一点如下图所示）
阿甘傻乎乎的， 也不问为什么收件人和发件人这么奇怪， 只是飞快的按老大的指示写信， 信马上写好了，交到我的手里。
“给你， TP-Link 7954， 赶紧发出去吧”。
我对外发信是有原则的： 我工作在数据链路层， 必须得知道对方的MAC地址才能发信， 如果不知道， 我就对外广播， 那就是所有的电脑都会收到。
这封信显然就是要广播的，因为到目前为止， 我们还是网络大海中的一个孤岛， 和外界没有任何联系， 我还不知道任何其他电脑的MAC地址。
按照规定，我又把阿甘写的信封装了一下， 装到另外一个信封里， 只有这样，我最重要的伙伴交换机才能看懂。
目的地： FF:FF:FF:FF:FF:FF （广播到同一子网内的所有电脑）
发件人： 11:27:F5:8A:79:54 (就是我自己了！)
我把它通过网线发给了交换机。 交换机看到FF:FF:FF:FF:FF:FF， 立刻转发给了所有连到交换机的设备。
如同老大所料， 这个局域网里确实有DHCP服务器， 还不止一个！因为没有多久， 交换机转来两封信， 我拆开其中一封， 里边写着：
“我是DHCP服务器192.168.1.1 ， 我这里有个空闲的IP 192.168.1.2， 你租不租？”
另外一封信也差不多， 是另外一个DHCP服务器发来的，提供了另外一个IP地址。
CPU阿甘迫不及待了： “看来我们很受欢迎啊，这么多人愿意给我们IP, 老大， 快抢一个吧。 ”
操作系统老大说： 好， 我们要这个192.168.1.2吧， 再写一封信：
“你好，服务器192.168.1.1 , 我们就要这个IP 192.168.1.2了”
我又把这封信广播出去， 看来我们所处的网络非常快， 确认的回信眨眼间就到：
“这是一个确认信， IP 192.168.1.2 给你了。 网关路由器是192.168.1.1 , DNS服务器的地址是 202.102.224.69”
金士顿内存说： “不容易啊， 终于搞定一个IP 了， 我把它记下来。 ”
操作系统老大说： “把所有信息都记下来， 接下来很快就会用到”
我们的IP : 192.168.1.2
网关路由器： 192.168.1.1
DNS服务器： 202.102.224.69
阿甘说：“ 要是重启了， 我们是不是要这么重来一遍？ ”
“阿甘， 你现在越来越聪明了， 确实是这样， 除非主人手动的给我们配置IP地址，网关， DNS ， 但是那样很烦，容易出错， 所以一般情况下， 主人都是依赖我们自动的去用DHCP搞定一个IP 。 ”
经过这一番折腾， 我也初步了解了我们所在的网络结构：
2
DNS和ARP
搞定了IP地址， 大家都喜气洋洋。
我们赶紧把浏览器村的老IE叫来， 让它访问一下著名的google网站。
（公众号“码农翻身”注：参见文章《老IE为什么把火狐和Chrome打伤了？》）
老IE说： “你们还不知道？ google在中国被屏蔽了， 访问不了， 要不访问百度吧。 ”
我说： “都行， 我们先访问一下试试。 ”
老IE说： ”百度的域名是www.baidu.com, 你们给我查查它对应的IP地址呗！”
阿甘说： “上个网这么麻烦， 这么多地址要查 ”
“是啊， 网络世界的规矩就是这样 ，想要互联， 我们得有IP地址， 也得知道对方的IP地址， 现在只知道域名www.baidu.com , 我们得给他翻译成IP才行， 阿甘你准备一个DNS查询吧 ” 老大说
CPU阿甘遵照指示，先向金士顿内存问了DNS服务器的地址， 然后写了这么一封信， 交给我
发件人： 192.168.1.2 (我们刚刚搞定的IP)
收件人： 202.102.224.69 (DNS服务器)
内容： 哥们， 给我查查www.baidu.com 的IP地址吧
“但是这封信发给谁呢， 我需要知道对方MAC地址啊， 总不成还是对外广播吧。“ 我心里想。
操作系统老大看出了我的疑虑， 解释说： “DNS服务器不在我们的局域网内， 我们要把这个信发给 网关路由器 ， 他会想办法转给 DNS服务器的。 ”
我说： “可是我不知道网关路由器的MAC地址啊”
金士顿内存说： “别急， 我查查之前我们存下来没有， 我靠， 刚才那个DHCP服务器（192.168.1.1）也是网关服务器, 他怎么没把MAC地址顺便发过来啊！”
CPU阿甘急了： “TP-LINK7954, 你是怎么干活的， 怎么非得要MAC地址， 直接用IP地址不行吗？”
我回答说： “没办法， 这是规定， 你不知道网络是分层的吗？ 我只工作在数据链路层， 就得用MAC地址。 另外网络多种多样， 可不仅仅是TCP/IP , 我要是只用IP地址， 那其他网络怎么工作？”
操作系统老大说： “我记得好像有个叫ARP东西， 可以通过广播查询一个IP地址对应的MAC地址， 你试试”
其实我也想起来了， 这个ARP叫地址解析协议， 我可以把下面的消息广播出去， 这个子网内的所有机器都会收到， 网关路由器也不例外， 他收到以后，一看是查询自己的MAC地址， 就会创建一个ARP的应答。
收件人： FF:FF:FF:FF:FF:FF （同一子网内的所有电脑）
发件人： 11:27:F5:8A:79:54 (就是我自己了！)
内容：呼叫网关路由器（192.168.1.1)， 请问你的MAC地址是什么？
过了一会， ARP应答果然来了， 我们看到了网关路由器的MAC地址： 88-25-93-79-E0-C8
我告诉金士顿内存： “赶紧记下来，下次咱就不用再查询了”
192.168.1.1 <–> 88-25-93-79-E0-C8
有了网关路由器的MAC地址， 剩下的事情就好办了， 我只需要把之前准备好的DNS查询发给网关路由器即可。
阿甘好奇问我：“ 你只把这个信发到网关路由器， 剩下的事就不管了？ ”
我没声好气的回答它说： “那当然了， 我只能管局域网的事情， 出了局域网， 那就是路由器的事情了， 路由器能抽取这个DNS查询的数据报， 看到收件人是202.102.224.69 (DNS服务器)， 自然可以转发出去， 我们完全不用担心。”
我们等了一会， DNS服务器很快就返回了www.baidu.com的IP : 115.239.211.112
金士顿内存说： “我记下来了， 上网看来一点都不好玩啊， 这么费劲。 ”
老IE 说： “好玩的在后面呢， 现在所有的东西都齐活了， 开工 ”
老IE开始创建TCP连接， 然后通过TCP 发送HTT GET请求， 轻轻松松的把百度的主页给取了下来，展示了出来。
大家第一次看到外边的世界， 激动万分。
当然还是我最忙， 因为老IE的所有信件都需要我去发送和接收。
2
尾声
这几个月以来我都是电脑里的最忙碌的人， 一旦可以上网， 大家都上瘾了， 浏览网页，刷微博， 看视频， 玩游戏， 每天把我累的要死。
日子就这么一天天过去， 有一天， 大家发现主人把一个新家伙通过USB接口插到了电脑上， 然后顺手拔掉了网线 ！
我失去了和交换机的联系 ， 无法联网了， 难道我们电脑又要成为一个孤岛了吗？
老IE还正在访问一个博客网站呢， 一下子就断了。
不过奇怪的是， CPU阿甘， 金士顿内存， 操作系统老大 竟然都围着新来的家伙重新玩起了DHCP, DNS , ARP , 并且连上网了， 所有的信件都由这个新家伙来传递。
我偷偷的问老IE :“ 这是怎么回事？ ”
老IE说： “看来你已经失宠了， 新来的家伙叫无线网卡！”
我就是网卡TP-Link 7954经常和大家提起的网关路由器， 我在网络中的位置是这样的：
为啥叫网关呢？ 因为大家想上网，一定得经过我这一关 ?
这不是开玩笑，确实是这样， 所有的对局域网之外的访问那非得经过我不可。
其实我直接和ISP(就是联通！)的网络相连， 我从联通那里搞了一个外网的地址： 61.52.247.112 。
可是只有这么一个地址， 我们局域网内这么多电脑， 如果轮流着让每个电脑去用， 那大家可就抱怨死了。
于是我巧妙的构思了一个网络世界， 成功的欺骗了TP-Link 7954这些网卡们。
1
NAT (网络地址转换)
还记得上次TP-Link 7954 向我要地址的事儿吗 ?
因为我不仅仅是个路由器， 还是一个DHCP服务器， 掌握着这个局域网的IP生杀大权。
我给TP-Link 7954 分配的IP是 192.168.1.2 ， 但是他拿这个地址是无法直接上网的， 因为这是属于我管辖的内网地址， 别的网站像www.baidu.com 根本都不知道！
即使知道了也没用， 因为在这个世界上可能有无数的路由器都会分配192.168.xxx.xxx 这样的地址， 你到底要找哪一个？
所以TP-Link 7954 想上网必须得通过我， 我需要施展一点点小魔法， 比如说它想访问百度， 通过交换机给我发来这么一个数据帧：
我把数据链路层的外衣去掉， 发现IP数据包中的目标地址是 115.239.211.112， 我就知道这是要向外网发出请求了。
于是我就把IP数据包中的源地址192.168.1.2 替换成我从联通那里搞到的外网地址 61.52.247.112。
这还不够， 我会创建一个新的端口号2001， 把TCP数据包中的源端口也替换掉， 数据包就变成了这个样子：
不知道你看出来其中的奥妙没有，我把源地址和源端口都替换了， 其实我的目的就是让外部的网络认为这是我（路由器）发出的， 他们根本不知道什么TP-Link 7954 这个网卡 ！
然后我需要查一下我的路由表，确定到底转发到哪个输出端口去，再给这个IP数据报穿上数据链路层的外衣，把数据包发给了联通的网络， 剩下的事我就不管了。
注意看以太网帧的MAC地址， 源地址已经是我了，而不是TP-Link 7954了， 因为这是我和联通网络之间的数据链路。
这个替换源地址和源端口的小把戏就叫做网络地址转换 , 人类简称为NAT。
当然不只是TP-Link7954通过我上网， 还有很多别的电脑呢， 我得把我的小把戏记下来 ，形成这么一张表：
过了不久， baidu 网站的回复就会通过别的路由器转到我这里，正如你所想的， 我需要反过来处理一遍：
首先去掉数据链路层的外衣，发现TCP和IP数据报中包含这样的信息：
目的地IP : 61.52.247.112 , 端口 2001
这时候我就去查表， 找到了 192.168.1.2:3345 ， 我就明白这是给TP-Link 7954的信了。
那就再次把数据报中的IP地址和端口号改了吧， 让TP-Link 7954 认为这个数据包就是我给他的。
就这样， 我成功的用区区一个外网的IP就支持了局域网内多个电脑的上网需求， 并且他们根本就不知道是怎么回事！
2
NAT 穿越
欺骗终究是不能长久的， 我的麻烦很快就来了。
TP-Link 7954 所在的机器为了下载一个大电影， 安装了一个P2P软件： 电驴。
所谓的P2P 就是Peer to Peer， 即网络中的机器是对等的。
所有使用电驴的机器不仅仅是一个发起请求下载数据的客户端， 他们同时也是一个能够接受请求，向外发送数据的服务器。
这样一来， 当下载大文件的时候， 你就可以从很多安装了电驴的机器上分块下载， 而不是仅仅从一个服务器上下载， 速度快了很多。
人人为我， 我为人人啊。
可是TP-Link7954 很快就发现， 当它试图做服务器的时候， 其他电驴根本就连不上它， 为什么？
因为IP地址是我分配的啊， 是个内网地址 192.168.1.2， 外网的人根本就不知道， 怎么连？
TP-Link 7954 给我发了一封措辞严厉的信件，质问我为什么他没法作为一个服务器接受外边的连接， 这强烈的阻碍了他们下载各种电影的需求。
我估摸着是瞒不住了， 只好把所有的网卡都召集起来，开个会大家商量一下。
我解释说： “现在IP地址很稀缺， 我用这种NAT的方法也是不得已而为之，要不然大家怎么上网啊， 你们之前不是过的也挺好吗？ 我听说电驴会占用很大的流量， 我们公司很快就会禁止的。”
D-Link 3925 说 : “公司的政策根本不是你应该考虑的事， 你考虑的是怎么才能让外网的电驴连上我们！”
可是我实在是没有办法， 就这一个外网的IP地址啊。
TP-Link 7954倒是很聪明， 他立刻就意识到了问题所在，想出了解决办法：
“这样吧， 路由器，你不是擅长搞玩小把戏吗， 可以继续玩下去， 但是得允许我们这些网卡参与进来玩， 比如说我（ip地址192.168.1.2）会主动的要求你建立一个NAT映射 (192.168.1.2 : 4096) <-> (61.52.247.112: 3001)。
“你还可以保存在你的NAT表中， 然后我就会对外通告了， 我是一个电驴服务器， 谁要是想连接我的话，请到这里来：61.52.247.112: 3001，当外网的连接来的时候， 你必须把连接请求转发到我这里来”
大家一致认为这个方法很简单， 很实用， 就这么决定了。
“码农翻身”公众号注：这其实就是UPnP , 你打开你的无线路由器，就能看到 ：
事情就这么解决了，生活又恢复了平静，当然，我作为一个路由器，这些NAT, UPnP都是我的附加功能， 我最重要的事情还是建立路由表， 做路由选择，转发IP数据包，下次再说吧。