计算机网络基础实践进阶

目标

了解计算机网络相关术语，能配置家庭网络

对象

网络技术初学者，IT爱好者

术语解释

• mac地址

每个需要连接计算机网络的设备都有一个全球唯一的mac地址，电脑、手机、智能家居设备等，在设备生产后就会分配一个特定的mac地址，以windows 11系统为例，查看我当前使用电脑的mac地址如下（红框标记内容）：

我们先简单的理解mac地址的作用是用于交换机寻址，对于二层交换机来说，通信的过程如下：

(MAC地址通讯示意图)

疑问：
上图中，交换机的通讯录是怎么来的呢？
电脑A是怎么知道电脑B的MAC地址的呢？

• arp协议

arp协议是为了解决MAC通讯过程中存在的问题，当电脑A发送数据给电脑B时，首先得知道电脑B的地址，获取对方地址的过程就是通过发送arp数据包实现的，如下图：

上图中的广播，其实就是arp数据包，完成上述过程后，交换机和电脑B都知道了电脑A的地址，但电脑A还是不知道电脑B的地址，因为电脑A的寻址过程还没有完成，上图“步聚5”写到了电脑B要回信给电脑A，回信过程如下图所示：

完成以上过程后，电脑A就知道电脑B的地址了。

疑问：
mac地址这么长，怎么记得住？
想通信的设备没有和我接在相同交换机上怎么办？

• ip地址/子网掩码

我们在访问百度等网站时，并不会通过指定mac地址进行通信，而是使用的ip地址，我们也不需要知道百度等网站的mac地址，因为mac地址是相同网络之间进行数据转发时才需要，相同网络之间通过mac地址转发数据时也不需要人为指定mac，操作系统会在转发数据时主动获取mac地址并缓存起来。

为了解决不同网络通信的问题，我们引入ip，ip是为了不同网段之间的设备进行寻址用。网段是指什么呢？网段可以理解为路由器接口的地址范围，如下图所示：

路由器接口有两个网段，分别是lan口的1.1.1.1/24和wan口的2.2.2.1/24，以lan口为例，1.1.1.1是路由器接口的ip地址，24是指定ip地址中网络位的长度，在电脑配置中与子网掩码255.255.255.0相同。ip(ipv4)地址设计是以二进制表示，每部分8位，总共4部分，用点分隔，1.1.1.1也可以表示为00000001.00000001.00000001.00000001，/24表示ip的网络地址长度为24位，表示成二进制形式为11111111.11111111.11111111.00000000，可以看到，有24个连续的1，1代表的是网络地址，0代表主机地址，换成十进制也就是255.255.255.0。

网络地址相同的ip属于相同网络，可以直连或通过交换机连接通信，不同网络之间通信，需要使且路由器，如上图，电脑A和路由器lan口属于同一网络。
电脑A：         00000001.00000001.00000001.00000010/24（1.1.1.1/24）
路由器lan口：00000001.00000001.00000001.00000010/24（1.1.1.2/24）
因为电脑A和路由器lan口红字标记的网络地址是相同的，所以属于相同的网络，可以直连通信，当然，在中间加个交换机也可以通信，交换机连接的是相同网络的设备。

电脑A和路由器wan口属于相同网络吗？现在我们来看一下他们的网络地址是否相同
电脑A：           00000001.00000001.00000001.00000010/24（1.1.1.1/24）
路由器wan口：00000010.00000010.00000010.00000001/24（2.2.2.1/24）
通过对比发现，红色标记的两个网络地址是不同的，所以属于不同的网络，他们之间的通信需要通过路由器。

• 路由/默认网关

路由是什么呢？我们可以理解为指路牌或路线图，有了这个地图，我们就知道应当怎么去往目的地。

路由器是怎么处理数据包的呢，每个路由器都有一个路由表，路由表记录了数据包该往哪个接口发送，如下图所示：

路由器1的接口2收到去4.1.1.1的数据包后，先查看一下路由表，发现接口1、2、3都匹配不上，只能匹配上接口0，于是将数据包从接口0发送出去，路由器从接口2收到去往4.1.1.1的数据包后，查看自己的路由表，发现与接口0匹配，于是将数据包从接口0转发出去。

路由器在进行数据包转发时是依据目标ip地址与路由表的地址段是否匹配，只匹配网络地址部分，采用最长匹配先优原则。

例如路由器2的“4.1.0.0/16：接口0”规则，匹配的是所有目的地以4.1开头的ip地址，将从接口0发送出去。

最长匹配是什么意思呢，例如有如下路由表规则
地址：1.0.0.0/8 下一跳：接口0
地址：1.0.0.0/16 下一跳：接口1
地址：0.0.0.0/0 下一跳：接口2
现在有一个去往1.0.0.1的ip，是从哪个接口发送呢，接口0匹配的网络地址是8位，接口1是16位，接口2是0位，所以数据包会从接口1发送出去。

我们在电脑ip配置中可以看到默认网关，工作中也经常经到默认路由，其实这两个是相同的概念，相当于0.0.0.0/0的路由规则，按照最长匹配优先的原则，默认路由匹配的网络地址长度为0，所以优先级是最低的，默认路由的作用就是当目的ip地址和其它所有路由规则都匹配不上时，将数据包按照默认路由指定的接口进行发送，如果没有配置默认路由，其它路由规则也不能匹配时，数据包将丢弃。

• DNS

DNS在上一篇文章中有演示，作用就是了为将域名解析为ip地址，数据包在网络上进行转发时只会基于ip地址依据路由表进行转发，不会识别域名，但平常我们访问百度或京东等网站时，要记住每个网站的ip地址是很困难的，但记住域名相对容易，于是我们平常访问网站时都是输入的域名地址（www.baidu.com等），由操作系统帮我们自动解析成对应的ip。

• DHCP

DHCP就是用于自动分配ip地址的，分为客户端和服务器端，家庭网络中服务器端一般配置在路由器上，客户端就是我们需要连接网络上网的电脑、手机等。电脑或手机上网都必须要有ip地址，如果没有启用dhcp服务的话就需要手动配置ip地址。

• 交换机

家庭网络中最常见的交换机是我们的wifi路由器，无线路由器一般有5个接口，其中有一个标记为WAN，其它4个标记为LAN，4个LAN口和通过wifi接入的设备，其实就相当于是接入在了一个交换机下，这些设备的ip地址在同一网段下，一般为192.168.1.xxx，他们之间可以进行通信，这里的通信不涉及到路由转发，是基于mac地址进行寻址。

• 路由器

家庭网络中最常见的路由器是我们的wifi路由器，虽然看上去无线路由器一般有5个接口，但其实他是只有两个接口的路由器，可以理解为路由器的LAN口下接了一个交换机。

我们之所以能访问到全世界的网站，是因为互联网中的路由器都能够依据路由表规则正确的转发数据包。路由器能够基于ip地址进行路由是因为ip地址是全球唯一的，ip地址的分配也不是随机的，是依据地理位置进行网段分配，假如中国的网段为1.0.0.0/8，漂亮国的网段为2.0.0.0/8，俄罗斯的网段为3.0.0.0/8，那么在中国所有设备的ip地址都必须是1.开头，如果1.1.0.0/16分配给北京，那北京所有的设备都必须以1.1开头。

• NAT

nat是网络地址转换的意思，应用很广，这里我们只介绍家庭网络中应用到的源地址转换也叫做snat。

上一节我们说到路由器使用ip地址进行路由，但并不是所有ip地址都能在互联网上进行路由，在互联网中，只有公有ip地址才能进行路由，私有ip地址是不能被路由的，由于ipv4是由32位二进制数表示，这也意味着ip地址的总数有限的，不能随心所欲的给全球所有的设备都分配一个公有ip。

家庭网络中我们可以多台手机和电脑同时上网，但我们却只有一个运营商分配的公有ip地址，这是怎么做到的呢，其实就是使用的NAT，家庭网络中，只有接入运营商网络的光猫的wan口是有公有ip地址的，家里其它设备的ip都是使用的私有ip，常见的是192.168.xxx.xxx等，但私有ip是不能够直接在互联网上进行路由的，我们能够访问百度等网站，是因为光猫在收到电脑或手机访问百度网站的请求后，将数据包中的源地址修改成了光猫的公有ip地址，这样在百度收到电脑或手机的请求后，实际看到的是从光猫进行请求的，在回复数据的时候也就是直接把数据包发送给光猫，然后再由光猫将数据发送给电脑或手机。

家庭网络配置

•  网络结构

• 光猫配置

光猫一般由运营商配置好，不需要进行额外配置，我们也可以登录进去查看里面的配置内容，登录地址一般为光猫的LAN口地址。

打开浏览器输入光猫lan口地址（192.168.1.1），输入用户用和密码（一般贴在光猫设备底部）后，点击确认登录。

我们可以看到局域网地址设置192.168.1.1，已启用dhcp服务器，也就是接入光猫LAN接口的设备如果配置为dhcp获取ip的话，将由光猫分配ip地址。

我们在终端设备管理这里可以看到有1台设备连接了光猫，其实这台设备就是我们的无线路由器

在上网过程中，光猫接收到家中电脑发送过来的数据后，会将数据包的源ip修改为自己的公网ip，然后发送到互联网。

• 无线路由器配置 

在无线路由器配置界面，我们一般需要配置wan口信息，如下图所示，上网设置实际就是配置的路由器wan接口，我们这里采用dhcp自动分配的方式，从图中可以看出，路由器的wan口是从光猫的lan接口自动获取到了192.168.1.2的ip地址。

点击无线路由器的局域网设置，其实就是配置lan接口，下图可以看到我们路由器的局域网ip地址是192.168.31.1，已启用dhcp服务，可以为接入到路由器lan接口或通过无线接入的设备分配ip地址。

无线路由器还一个重要的配置就是wifi设置，这里我们可以设备无线网络的名称和接入无线网络时需要输入的密码。

家用路由器默认启用了NAT功能，无线路由器在收到电脑发送过来的数据时，会将数据包中的源ip修改为路由器wan接口的ip，然后再将数据包发送给光猫。

思考

在介绍无线路由器时，我们说到无线路由器默认开启了NAT功能，但无线路由器转换后的地址其实还是私有ip，也不能在公网进行路由，那么无线路由器进行地址转换是否必须呢？我们可以将无线路由器的LAN接口连接光猫的LAN接口进行网络配置上网吗？

总结

这篇文章我们解释了一些常见的网络相关的术语，简单演示了一般家庭网络结构以及配置示例，大家有什么问题也可以在评论区告诉我，我们一起探讨。

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