【网络篇】第二篇——IP协议与MAC地址详解

IP协议

理解源IP地址和目的IP地址

网段划分

IP地址的数量限制

私有IP地址和公网IP地址

路由

NAT(网络地址转换)

​编辑NAT IP转换过程

NAPT

MAC地址

理解源MAC地址和目的MAC地址

对比理解MAC地址和IP地址

只有一个MAC地址，可以传输数据嘛?

为什么有了MAC地址还要有IP地址?

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IP协议

P地址是指互联网协议地址（英语：Internet Protocol Address，又译为网际协议地址），是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。目前还有些ip代理软件，但大部分都收费。

主机: 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备; 路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制; 节点: 主机和路由器的统称

理解源IP地址和目的IP地址

每台计算机都有一个唯一的IP地址，如果一台主机上的数据要传输到另一台主机，那么对端主机的IP地址就应该作为该数据传输时的目的IP地址。但仅仅知道目的IP地址是不够的，当对端主机收到该数据后，对端主机还需要对该主机做出响应，因此对端主机也需要发送数据给该主机，此时对端主机就必须知道该主机的IP地址。因此一个传输的数据当中应该涵盖其源IP地址和目的IP地址，目的IP地址表明该数据传输的目的地，源IP地址作为对端主机响应时的目的IP地址。

在数据进行传输之前，会先自顶向下贯穿网络协议栈完成数据的封装，其中在网络层封装的IP报头当中就涵盖了源IP地址和目的IP地址。

网段划分

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

1.网络号:保证相互连接的网段具有不同的标识

2.主机号:同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号

 3.不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起

4.如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是这个主机号必须不能和子网中的其他主机重复。

通过合理设置主机号和网络号, 就可以保证在相互连接的网络中, 每台主机的IP地址都不相同.

那么问题来了, 手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.

有一种技术叫做DHCP, 能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址, 避免了手动管理IP的不便。

一般的路由器都带有DHCP功能. 因此路由器也可以看做一个DHCP服务器

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类, 如下图所示

 

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址;

例如, 申请了一个B类地址, 理论上一个子网内能允许6万5千多个主机. A类地址的子网内的主机数更多.

然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况. 因此大量的IP地址都被浪费掉了.

针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):。

• 引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号
• 子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串0来结尾
• 将IP地址和子网掩码进行 “按位与” 操作, 得到的结果就是网络号;
• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;

下面举个例子:

可见,IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全0到全1就是子网的地址范围;
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68, 子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0

• 将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络号, 代表这个局域网；
• 将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包;
• 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1；

IP地址的数量限制

IP协议使用IP地址来标识网络中的节点，分为IPv4和IPv6。虽然一直在推行IPv6，但目前主流还是IPv4。

IPv4使用32位二进制，分为A、B、C类（D类和E类有特殊用途，不用于标识网络中的节点），共计大约37亿多个可用单播地址。听上去很多，但是Internet发展太快了，早在2011年，IANA就宣布IPv4地址耗尽。

等等，既然2011年IPv4地址就没了，那怎么直到现在，大家都还在高高兴兴地用着IPv4地址呢？

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题(提高了利用率, 减少了浪费, 但是IP地址的绝对上限并没有增加), 仍然不是很够用. 这时候有三种方式来解决:

1.动态分配IP地址:只给接入网络的设备分配IP地址，因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的

2.NAT技术(后面重点介绍)

3.IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表示一个IP地址; 但是目前IPv6还没有普及;

私有IP地址和公网IP地址

其实，在IPv4地址中，有一些特殊的地址范围：

A类地址中，10.0.0.0~10.255.255.255；

B类地址中，172.16.0.0~172.31.255.255；

C类地址中，192.168.0.0~192.168.255.255。

这些地址，我们称之为“私有地址”。

什么是私有地址？就是说，这些地址不会在Internet公网上出现，任何人都可以随便使用，不用花钱！

随便使用？那不会冲突吗？

并不会，因为这些地址只限于你所在的局域网内部使用，如家庭、企业、学校等，公网上并没有这些地址。就好像你在一个局域网用10.1.1.1，我在另一个局域网也使用10.1.1.1，只要保证各自局域网内不冲突就行。

可是，如果我们两人要通信呢？地址不是冲突了吗？

不不，私有地址只在局域网内部使用，如果要访问外网，需要NAT给你发的数据包整个容！

一般情况下，局域网接入公网的出口设备上都会配置NAT功能。家庭中常见的“无线路由器”，其实本质上不过是一台“无线NAT”而已！

如果NAT设备发现有私有数据包要去公网，会给它整个容：把里面IP封装中的私有地址换成公网地址，做好记录，再发出去；数据包回来时，再把地址换回来，发回你的电脑。

企业、学校的公网地址可以花钱向运营商购买固定地址，便于注册域名，向外提供网络服务；家庭上网一般由运营商动态分配。

图中电脑的IP地址是私有地址192.168.1.10，出口NAT设备接入Internet的公网地址是12.34.56.78，假设公网上有一台地址为98.76.54.32的www服务器，内网电脑通过浏览器访问它。

路由

本质就是在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；

路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) “问路” 的过程. 所谓 “一跳” 就是数据链路层中的一个区间. 具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间.

 IP数据包的传输过程也和问路一样

• 当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
• 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;
• 依次反复, 一直到达目标IP地址;

• 路由表可以使用route命令查看
• 如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可;
• 路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

• 这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络;
• 路由表的 Destination 是目的网络地址, Genmask 是子网掩码, Gateway 是下一跳地址, Iface 是发送接口, Flags中 的 U 标志表示此条目有效(可以禁用某些 条目), G 标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有 G 标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

NAT(网络地址转换)

IPv4协议中, IP地址数量不充足的问题；

NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能;

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
• 很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;
• 全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的;

• 一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP).
• 路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
• 不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是子网之间的IP地址就可以重复了.
• 每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级, 最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了.
• 子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换).

两个主机如何跨网络通信呢？

NAT IP转换过程

电脑产生http报文，向下交给传输层TCP协议。TCP封装时，源端口在49152~65535间随机选择一个，如60128，目的端口为80。

 TCP封装后，交给网络层IP协议，IP封装源地址为内网电脑的私网地址192.168.1.10，目的地址为公网服务器的地址98.76.54.32，协议号为6。

 链路层的封装和前面文章所述一样，这里我们省略。这个报文发到NAT设备后，NAT设备将源地址修改为12.34.56.78，做好记录“内网地址192.168.1.10映射到外网地址12.34.56.78”，然后将报文发到公网。

公网根据报文中的目的地址98.76.54.32，将报文准确送达服务器。

服务器返回的信息，数据是这样封装的：

 源和目的端口号、IP地址互换位置，公网会根据目的地址12.34.56.78，把报文送达NAT设备。NAT根据记录“内网地址192.168.1.10映射到外网地址12.34.56.78”，把目的地址12.34.56.78换回192.168.1.10，然后根据内网地址192.168.1.10把报文送达电脑。

但这样的转换方式并不妥当，因为一个内网地址需要对应转换为一个外网地址，内网电脑数量多就会消耗大量外网地址，并没有起到节省地址的作用。

因此，我们所使用的NAT，叫做NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换）

NAPT

NAT只转换IP封装中的IP地址，而NAPT则把传输层的端口号和IP地址一起转换，可以实现一个公网地址的复用。

假设内网有两台电脑，地址分别为192.168.1.10和192.168.1.20，NAT设备地址和服务器地址和上例相同。假设两台电脑同时访问外网服务器，电脑A发出的报文封装是：

 电脑B发出的报文封装是：

两个数据报文到达NAT设备后，NAT设备做个记录：

然后，NAT把电脑A的报文修改为：

而电脑B的报文也被NAT修改为：

可以看到，NAT把两台内网电脑发出去的报文转换后，仅传输层的源端口号不同，IP的封装完全相同。这样一来，就可以实现同一个公网地址被不同内网电脑重复使用，只需通过端口号区别开就可以。外网返回的数据报文回到NAT设备后，NAT根据之前记录的信息再转换回内网地址和内网端口号，即可把报文送达不同的内网电脑。

MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address），直译为媒体访问控制地址，也称为局域网地址（LAN Address），以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网上设备位置的地址。在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链接层则负责MAC地址。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)；
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址).

理解源MAC地址和目的MAC地址

大部分数据的传输都是跨局域网的，数据在传输过程中会经过若干个路由器，最终才能到达对端主机。

源MAC地址和目的MAC地址是包含在链路层的报头当中的，而MAC地址实际只在当前局域网内有效，因此当数据跨网络到达另一个局域网时，其源MAC地址和目的MAC地址就需要发生变化，因此当数据达到路由器时，路由器会将该数据当中链路层的报头去掉，然后再重新封装一个报头，此时该数据的源MAC地址和目的MAC地址就发生了变化。

对比理解MAC地址和IP地址

• IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点;
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;

举例说明：唐僧西天取经：
别人会问唐僧从哪来，要到哪里去。唐僧都会回答道，贫僧是从东土大唐而来，要到西方拜佛求经。

这里的东土大唐就是：源IP
西方雷音寺就是：目的IP

有人问：和尚，你上一站从哪里来，下一站要到哪里去。唐僧回答：贫僧上一站从火焰山来，下一站要到女儿国去。

火焰山和女儿国就是：MAC地址，MAC地址，在途中，是一直改变的。

只有一个MAC地址，可以传输数据嘛?

是可以的。
但是要有前提：他们同处于一个局域网内。
像是在网吧打魔兽争霸，只要在一个局域网内，就不需要连接网络（指因特网），就可以打游戏。

为什么有了MAC地址还要有IP地址?

• 只拥有MAC地址的话，只有在同一网络区域内，才能进行数据传输，不能跨网络区域。
• 如果想跨网络区域进行数据传递，最现实的方法就是借助ISP提供的网络区域
• ISP能提供全球互联的网络——因特网，借助因特网可以传输数据给连接因特网上的机器。

有一个村落（局域网），它很封闭，与世隔绝，如同陶渊明讲的世外桃源。但是他的建筑非常美丽，几乎都是四合院，好几户人家居住在一个四合院里。(同一IP地址接入多个设备，每个设备都有一个MAC地址。)

人们总是相互串门，并借此交换物品（数据）。可是一天，伟大的天朝官员（ISP）发现了这里，看到这里的人居然还过着物物交换的生活，于是他决定为生活在这里的人修建公路（接入互联网），让其能够与外界的人能相互交流。

这里的人对外面的世界非常好奇，有一天，村庄的一个女人发现有镖局可以代购物品（数据），她看到琳琅满目的物品图片，她觉得她的生活仿佛打开了新的大门。于是她如有天助般完成了第一单，但是她不知道要填姓名和手机号（无MAC地址）。

几天过去，包裹（数据）到站点了，快递小哥一看，WTF，这是谁的，为什么只有收货地址（IP地址），没有个人信息（MAC地址），信息是不是出错了？他抱着试一试的心理，到了败家，emmm，那个女人所在的四合院（IP地址）。他拼命的敲门，有人给快递小哥开门。快递小哥兴奋地问他：“这是你买的东西吗？”，开门的人摇摇头。于是快递小哥见到一个人问一次是不是其的包裹，可是每个人都摇头。

快递小哥等的不耐烦了，正准备回头，那个买东西的女人出现了，询问快递小哥是不是东西到了。快递小哥郑重其事地对她说：“下次一定要写好你的个人信息（MAC地址），不然你只写一个地址（IP地址），我哪知道是谁的 ”。那个败家，emmm，那个女人就说知道了，下次肯定写上。