一起来聊聊 IP 地址、局域网、广域网、IPV4 和 IPV6

背景

• 谁都知道 IP 地址是干嘛的，但是它出现的前因后果你真的知道吗？
• 我觉得很有必要重新复习下计算机网络基础知识，实在太太太重要了
• 本篇文章素材均来自：https://www.bilibili.com/video/BV1DD4y127r4；这个 UP 感觉还是很不错
• by the way：有时候学习一个知识点，官网的确是最准确的， 但一定不是通俗易懂的，借助大神做的一些动态图和类比场景，能更快吸收一个知识点
• 最佳学习方式：看一遍官方，看一遍别人做的学习视频，再看一遍手动记录干货，形成自己的知识体系

为什么会出现 IP 地址

假设只有一台电脑

• 所有数据就会存储在这台电脑的硬盘上，和其他电脑本身不存在任何干系
• 但一台电脑能做的事情是非常少的，很可能会出现多台电脑协同工作

假设有两台电脑

• 两台电脑协同工作，那肯定会出现数据交互的需求，那就需要用中间介质(比如 U 盘)来交换
• 这种方式既不是数据实时传输，也非常耗时耗力

线缆(网线)的出现

两台电脑之间可以通过网线来实时传输数据

但假设有很多台电脑，那每两台电脑间都需要一条网线来连接，随着设备数量上升，需要的接口数量和线材数量也会越来越多，这是十分不合理的

交换机的出现

• 电脑和电脑之间的连接不再是点对点连接了
• 而是全部都接入交换机，由交换机去分发来自不同设备的数据

交换机的类型

• 很多个接口的常规网络交换机
• 服务器
• 家里的路由器

交换机详细介绍等后面的文章吧

非点对点连接的问题

• 点对点连接时，两台电脑交互数据的是通过对应接口的，所以数据一定会传送到目标主机上
• 但是接入交换机之后，就不清楚数据发送给哪个目标主机了
• 类比：网购发货，没有填清楚收件人的地址，所以无法精准送货

数字虚拟地址

• 为了解决上述非点对点连接的问题，诞生了数字虚拟地址
• 电脑发送数据的时候，带上这个数字虚拟地址，就能知道目标主机是谁了
• 栗子：182.168.0.1 主机要发送数据给 192.168.0.3 主机，就在数据的抬头(包头)上加上 192.168.0.1，这样数据到达交换机后就能准确发送给对应目标主机了

说明

• 此处采用的交换机是三层交换机，具有 DHCP 分配 IP 的功能
• MAC 地址为物理层面设备识别
• 数据传输依赖 TCP/UDP 

IP 地址来了

• 其实数字虚拟地址就是 IP 地址
• 类比：网购发货的时候，发送的物品就是数据，收件人地址可以理解为 IP 地址

局域网

每个电脑都拥有自己的 IP 以后，加上连接的交换机，就能组成一个小的可以用来交换数据的网络，这就是局域网

新加入一个局域网

需要把两个局域网的交换机连接起来，组成一个更大的局域网 

随着时间的推移，可能需要连接的局域网也会越来越大，那么局域网之间又会通过一个新的交换机来连接

广域网

• 上面有说到，随着局域网越来越多，这个网络也会变得越来越大，用户只需要连接一个交互机可能就能访问世界上绝大多数的设备，这就是广域网
• 广域网就是一个设备数量超级庞大的局域网
• 想要把世界各地的设备连接起来并不容易
• 需要在多个重要城市架设骨干服务器，还要在不同区域布置分支服务器，然后让大家接入
• 这需要大量的资金成本、后期维护
• 做这种吃力不讨好活的就是 ISP(互联网服务提供商)，在中国有联通、电信、移动
• 正需要资金成本和维护成本，所以你的手机流量和家用宽带都是计费的

IPV 4

• 由 32 位二进制数构成
• 理论上，可以提供 2^32 约 42.28 亿 个地址

转成十进制

为了方便记忆和输入，每 8 个二进制数划分为一组，然后转换为十进制数，变成常用的 4 个 0-255 数字

IP 地址的分类

一些地址有特殊的用途，所以被保留下来不允许被大众使用，最后可能真正可用的 IP 地址只有 36.74 亿个

全球 IPV4 地址不够用

现在全球有75亿个人，假设只有四分之一的人用互联网，那么也有 18 亿人

但每个人的设备数量可能有多个，比如手机+IPAD+电脑，如果都想要独立的 IP 地址，那么 IPV4 很明显不够用

IPV4 已经枯竭

• 2011 年底，打包分配的 IPV4 地址已经枯竭了
• 2020 年底，亚太互联网信息中心将发布不出来一个新的地址
• 除非有人返还旧的地址

NAT 网络地址转换

为了解决 IPV4 地址枯竭的问题，引入了 NAT 地址转换

上图

• 五台电脑接入一个路由器
• 路由器接入广域网的 IP 是 6.6.6.6
• 对于家用来说，路由器由于是接入广域网并执行 NAT 的，所以路由器就是网关

传输场景，引入 NAT

1. 假设电脑 A 需要访问外部的 8.8.8.8 设备
2. 那么就会将数据包发送给路由器
3. 路由器发现这个数据包是要发送给 8.8.8.8 的，就会将 IP 映射成自己的 IP 6.6.6.6，并记录成映射表 
4. 最后，8.8.8.8 设备接收到的数据包的 IP 是 6.6.6.6
5. 这样五台电脑发送出去的数据包，都能通过路由器转换为 6.6.6.6，以这个 IP 去传输数据
6. 就能实现五台设备共用一个 IP

接收方也可以作为网关

这样它下面就会连接了很多台设备，那它们也可以共用 8.8.8.8 这个 IP

存在问题

• 左侧五台设备都是通过 6.6.6.6 来发送数据包的，但是右侧接收方并不知道发送过来的数据包应该给哪台设备接收
• 而 8.8.8.8 的下行数据发送到 6.6.6.6 之后，也不知道给五台设备中的哪一台来接收

端口映射

为了解决上面存在的问题，引入了端口映射

具体表现方式

• 其实就是在 IP 后面加端口 6.6.6.6:8080 
• 网关就会以不同的端口去和外网交互，然后把这些端口映射给局域网内的各个设备
• 传输数据包的时候，除了 IP 地址需要映射为网关 IP 之外，还需要将端口映射为网关的端口
• 这样就能实现共用一个 IP 还能精准传送数据了(解决上面存在的问题)，以实现 PAT 多对一映射了

其实就是因为 NAT 和端口映射的存在，才让 IPV4 即使在不够用的情况下还能坚持这么久

公有 IP 和私有 IP

• 前面有说到 A、B、C、D、E 五台设备共同连接一个路由器，那么这五个设备就是寄宿在 6.6.6.6 网关下的私有 IP
• 网关所拥有的的可以直接用来在广域网上交互数据的 6.6.6.6 就是公网IP

类比的栗子

1. 比如你居住在一个名叫月亮湾的小区，具体地址是15号楼二单元101
2. 假设全球只有一个小区叫这个名，那么只要别人提起月亮湾就知道是哪个月亮湾了，这种能直接通过地址访问，可以拿到大的层面上直接使用的地址就是公网 IP

1. 而小区内部其实就是局域网，你只要在小区内说是15号楼二单元101的，别人就知道你在哪
2. 假设隔壁小区也有15号楼二单元101，隔壁的隔壁小区也有15号楼二单元101，寄快递的时候只写15号楼二单元101不写月亮湾，那么快递肯定不知道寄去哪里
3. 像这种只能在小区内(局域网内)使用的 IP 就是私有 IP，它只有连同一个局域网的其他设备才会知道

IPV 6

能支持 3.4 * 10^ 38 个 IPV6 地址，这应该是多少亿亿亿个了吧...给每个生物分配一个都够用了

数字0-9，大写字母A-F

ipv4 和 ipv6 是两个完全不同的两个协议

• 它们之间不能直接互通，必须要借助其他的设备去做转换和映射
• 导致在短时间内，IPV6 替换 IPV4 是很困难的

会持续更新知识点