网络协议底层原理（三）：路由

一、路由

• 1. 我们知道相同的网段传输数据是通过交换机，不同的网段交换数据是通过路由器，但是我们实际生活中只看到有路由器，却看不到交换机，这是因为，现在的路由器一般都内嵌了交换机，所以现在传输数据无论是相同网段，还是不同网段，通过一台路由器即可完成
• 2. 默认情况下路由器只知道跟它的接口直连的网段，非直连的网段需要通过路由表来告诉路由器，路由表分为：静态路由和动态路由：

     • 静态路由，就是是手动给路由表里添加路由信息，一般用于比较小型的网络；

     • 动态路由，就是通过路由选择协议，例如RIP、OSPF等等，来自动获取路由信息，并添加到路由表里，一般用于大型网络

     • 路由表里存放着：想去某个IP应该去找哪个路由器的对应关系，也就是目标IP地址、子网掩码、下一跳的IP地址等信息，通俗解释就是：你想去找XXX地址啊，我知道路啊，你去下一跳的那里找吧

• 3. 数据包是怎样通过交换机、路由器，传递到目标主机的呢？

  • 我们来通过一个例子来简单说明一下，如下图所示，我们想从A主机传输数据到F主机，A主机的IP地址是192.168.1.10/24，mac地址是MA，F主机的IP地址是192.168.3.10/14，mac地址是MF，路由器0的左侧网卡的mac地址是M0，右侧网卡的mac地址是M1，路由器1的左侧网卡的mac地址是M2，右侧网卡的mac地址是M3，那么数据传输过程是怎样的呢？
    

    三个网段

  • 补充知识1：每台主机都会有一个网卡，网卡才会有mac地址，而交换机是没有网卡的，也就是交换机没有mac地址，路由器是有多个网卡的，路由器的每个接口对应一个网卡，每个网卡都可以配置一个IP地址，也就是路由器不同接口上有不同的IP地址和mac地址

  • 补充知识2：如上图所示，红、黄、蓝三个框代表三个网段，同一个网段的数据都可以通过交换机自由通讯，只有跨网段传输数据才需要通过路由器

  • 补充知识3：传输数据不但需要目标的IP地址，还需要目标的mac地址，IP地址一般都是对方主机告知的，而mac地址一般都是通过ARP广播自动获取的，ARP广播会给同一个网段内的所有主机发送数据，大概意思是说：大哥们，我想找某个IP地址，你们谁是谁就把mac地址回复过来

  • 补充知识4：主机一般都会配置好默认网关的IP地址，默认网关就是：如果是跨网段通讯，你应该去找哪个路由器，所以主机的默认网关都会配置路由器的IP地址，如上图中的，A主机的默认网关就是路由器0的左侧接口的IP地址；主机F的默认网关就是路由器1的右侧接口的IP地址

  • 学习了上边的补充知识以后，我们大概能猜出来数据包的发送过程了：

  • 第一步：主机A知道要跨网段通讯给主机F，那么首先会把数据包发送给默认网关，也就是路由器0的左侧接口，由于不知道路由器0的mac地址，所以首先会发送ARP广播，询问路由器0的mac地址，知道了以后，才会把数据包发送到路由器0，主机A发送出来的数据包的就长下面的样子：
    

    第一步

  • 第二步：路由器0的路由表里记录着，想要发送到主机F，那么下一跳就是路由器1，所以数据包就会发送给路由器1，并且主机A发送的数据包的目标mac地址，就会换成路由器1的mac地址，也就是变成了下面的样子：
    

    第二步

  • 第三步：数据包到了路由器1以后，路由器1发现目标IP地址的网段跟自己是同一个网段，那么就交给交换机传输吧，交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，也就能得到主机F的mac地址，数据包中的源mac地址和目标mac地址就会被替换，然后数据包就会发送到了主机F，更换以后的数据包长这样子：
    

    第三步

二、网络

• 1. 几台主机通过交换机组合起来，就可以形成一个网络，如下所示：
     网络
• 2. 几个网络通过路由器组合起来，就可以形成一个互联网，如下所示：
     互联网
• 3. 全世界最大的互联网叫做：因特网，也就是Internet，Internet将全世界所有的计算机链接在了一起，一般我们常说的网络，就是特指的因特网，我们常说我们电脑连不上网，其实就是说电脑连接不上因特网
• 4. 我们与全世界联网，其实是靠ISP(Internet服务提供商)做到的，也就是移动、电信、联通、铁通、网通等等
• 5. 网络按照范围可以分为：局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)，局域网一般就是几百米到几十公里以内的计算机构成的网络，城域网一般是一个城市的计算机构成的网络，广域网一般是一个国家的计算机构成的网络；局域网中最广泛的技术叫以太网(Ethernet)，我们日常手机上经常会见到WLAN，也就是无线局域网的意思（Wireless LAN）

三、上网方式

• 1. 电话线入户，这就是以前常说的电话拨号上网，这种是非对称的线路，也就是上传和下载的速度不一样，目前已经淘汰，如下所示，图里猫，是指Modem，也就是调制解调器，负责数据信号和模拟信号的转换
     电话线入户

• 2. 光纤入户，这是目前常用的上网方式，图中的光猫，是光调制解调器，负责数字信号和光信号的转换

     
     光纤入户

• 3. 很多地方也有网线入户，如下所示

     
     网线入户

四、公网IP和私网IP

• 1. IP地址也分为公网IP和私网IP，因为IPv4数量太少了，不够分，所以才弄出来公网和私网
• 2. 公网的IP是因特网信息中心统一分配和管理的，ISP服务提供商需要向其申请公网IP ，Internet上的路由器只有到达公网的路由表，没有到达私网的路由表

• 3. 私网主要用在局域网，有一部分私网网段是保留的，如下所示

     
     保留的私网网段
• 4. 私网IP想访问Internet，需要通过NAT(Network Address Translation)，将其转换为公网IP，这一步可以通过路由器来完成，这种方式可以节约公网IP资源，并且隐藏内部真实的IP地址
• 5. 目前最常用的NAT技术是PAT（Port Address Translation），也就是通过端口号表示不同的数据流，以最大程度节约公网IP资源