LV06-02-网络基础-02-因特网中的机器如何通信

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本文主要是网络基础——因特网中的机器通信方式的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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STM32开发板 正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)
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网络怎么通信的如果让你来设计网络(qq.com)
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一、概述

“网络”的定义是比较宽泛的，小到两台计算机之间的通信，大到世界上所有计算机之间的通信，都可以称为网络。根据地域覆盖范围的大小，可以将网络细分为以下三种：

  • 局域网（LAN）：覆盖方圆几千米以内的网络，比如公司网络、家庭网络、网吧网络等；
  • 城域网（MAN）：更大型的局域网，覆盖范围可以达到几十千米，数据传输的实现技术和局域网类似，比如覆盖一个城市的网络；
  • 广域网（WAN）：覆盖地域最大，从几十千米到几万千米，可以覆盖一个或几个国家、一个或几个洲。因特网（互联网）就是典型的广域网。

局域网和城域网、城域网和广域网之间没有明显的界限。经过前边一节的学习，我知道到了同一个局域网中的设备是怎么通信的，那么扩大一下范围，整个因特网的的设备是怎么通信的呢？

其实有这样一个疑问：在同一个局域网内，任意两台机器的 IP 地址都不能相同，否则会发生 IP 地址冲突，导致两台机器都无法正常连通网络。但是在因特网里的多个局域网中，可能存在 IP 地址相同的多台机器，它们不仅不相互冲突，还能正常连网通信。例如和朋友一起开黑打游戏，我的 IP 地址是 192.168.1.2，隔壁小伙伴的 IP 地址也是 192.168.1.2，甚至全世界有几百万台电脑的 IP 地址都是 192.168.1.2，这些设备不会相互冲突，都能上网通信。这是为什么？我们下边来了解一下吧。

二、需要了解的IP知识

1. IP分类

后边会详细再学习，这里先提前了解一点东西，后边要用。一开始出现的IP地址是IPv4，但是 IPv4 地址是不够用的，为了缓解 IP 地址的分配压力，把 IP 地址分成了 A、B、C、D 和 E 共 5 类。不仅如此，A、B 和 C 类中还各自包含一些特殊的 IP 地址：

  • A 类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
  • B 类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
  • C 类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

这些 IP 地址规定只允许在局域网内部使用，称为私网 IP 地址；相对地，其它 IP 地址称为公网 IP 地址。私网 IP 和公网 IP 的区别有很多，比如：

（1）私网 IP 只能在局域网内部使用，在广域网中是不被承认的；公网 IP 在广域网使用。

（2）私网 IP 可以在不同的局域网内重复使用；公网 IP 在全世界是唯一的。

（3）私网 IP 的通信范围仅限在局域网内部；公网 IP 可以和因特网内的任意机器通信。

（4）公网 IP 由互联网服务提供商（简称 ISP，比如移动、电信、联通）分配，而私网 IP 地址由路由器分配。

（5）公网 IP 地址是收费的，而私网 IP 地址可以免费使用。

2. NAT技术

私网 IP 地址是无法用来在因特网上通信，这就引出一个问题，我们和开黑的朋友都是私网 IP 地址，为什么可以上网通信呢？答案是利用 NAT 技术。NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种将私网 IP 和公网 IP 相互转换的技术，通常实现在路由器上，称为 NAT 路由器。

NAT 路由器至少要分配 1 个公网 IP 地址，局域网内的机器要想和外网通信，必须先借助 NAT 技术将私网 IP 地址转换为公网 IP 地址；同样的道理，外网机器要想和局域网内的机器通信，也必须先借助 NAT 技术将公网 IP 地址转换为私网 IP 地址。

三、实例1：局域网机器访问外网服务器

1. 端口的概念

其实前边学习过了，这加深下印象吧。

假设网络上有一篇教程（例如C语言初探 (biancheng.net)），处于某个局域网内的我们之所以能阅读这篇教程，是因为我们的浏览器向这篇文档所在的服务器（也就是C语言中文网服务器）发送了请求，随后服务器做出了响应并将文章数据回传给了我们的浏览器。

需要注意的是，即便计算机有了 IP 地址和 MAC 地址，也仍然不能进行通信。原因很简单，一台计算机可以同时提供多种网络服务，比如 Web 服务（网站）、FTP 服务（文件传输服务）、SMTP 服务（邮箱服务）等，仅有 IP 地址和 MAC 地址，数据包虽然可以找到目标计算机，但目标机器不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以通信失败。

为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（Port Number）。端口号是 0~65535 之间的十进制数，一些常见的端口：

  • Web 服务的端口号是 80；
  • FTP 服务的端口号是 21；
  • SMTP 服务的端口号是 25。

端口（Port）是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门，数据通过这道门流入流出，每道门有不同的编号，就是端口号。如下图所示：

2-220509104541Q4.gif

图三-1 端口和端口号

2. 数据包传输分析

在下图中，假设我们使用机器 A 访问外网的 C 语言中文网服务器，服务器的端口是 80，机器 A 中想访问服务器的网络程序的端口是 1025。

2-22050912564b56.gif

图三-2 局域网内机器访问外网服务器

数据包在网络中的传输过程是：

（1）C语言中文网的域名是 c.biancheng.net，通过 DNS 服务可以找到域名对应的 IP 地址，假设为 202.108.22.5。

DNS 是一种免费、快速、公共的互联网服务，它就像一个巨大的电话簿，记录着域名和 IP 的对应关系。如果想访问某个网站，我们需要先知道它的域名，然后通过 DNS 服务找到域名对应的 IP 地址；只有知道了 IP 地址，我们才能将请求发送出去。意思就是，网络通信是基于 IP 地址的，而不是基于域名的。域名只是一种助记符，IP 地址才是真正的“门牌号”。

我们在浏览器中直接输入域名就能访问网站，是因为浏览器在后台帮助我们完成了 DNS 转换过程。

（2）由于服务器的 IP 地址为 202.108.22.5，和机器 A 不在同一个子网，因此机器 A 会将请求数据包发送给默认网关（此过程会通过 ARP 获取到默认网关的 MAC 地址），也就是图中的 NAT 路由器。发送的数据包如下图所示：

2-220509130044136.gif

图三-3 将数据包发送给默认网关

（3）接收到数据包的 NAT 路由器，会启动 NAT 技术将数据包中的源私网 IP 地址转换为公网 IP 地址，同时用一个新的端口号替换源端口号。NAT 路由器会将【源私网 IP + 端口号】和【公网 IP + 新端口号】的对应关系保存到一张表中，称为 NAT 转换表：

源私网 IP + 源端口号 公网 IP + 新端口号
192.168.1.2:1025 200.10.10.0:2222

上一步中的数据包经过 NAT 路由器加工后，会变成下图这样：

2-22050913153S08.gif

图三-4 NAT路由器发出的数据包

图中的下一跳指的是下一个路由器的 MAC 地址，数据在广域网中可能会经过多个路由器转发，过程中数据包的源 MAC 地址和目标 MAC 地址会不断变化，但源 IP 和目标 IP 是不变的。

（4）数据包经过多次转发，最终会到达C语言中文网的服务器。通过数据包中的目标 IP 地址和目标 MAC 地址，服务器确认数据包是发给自己的，于是收下数据并发送一个响应数据包。

（5）响应数据包在网络中的传送过程就是请求数据包的逆过程。起初的响应数据包如下图所示：

2-22050913253CW.gif

图三-5 服务器发出的响应数据包

注意，数据包中的目标 IP 地址并不是机器 A 的，而是默认网关的，同样端口号也是如此。也就是说，对于服务器而言，它只知道是机器 A 的默认网关在和它通信，而不知道是机器 A。

（6）数据包在经过多个路由器转发后，最终会到达 NAT 路由器。NAT 路由器会启动 NAT 技术，根据 NAT 转换表将【目标 IP + 端口号】转换为【源私网 IP + 端口号】，再根据 arp 协议更新目标 MAC 地址，最终转发出去的数据包为：

2-220509135642K6.gif

图三-6 局域网内的响应数据包

（7）剩下的工作就是在局域网内传输数据了，根据数据包中的目标 IP 和 MAC 地址，最终就能回传给机器 A。

四、实例2：不同局域网内的机器相互通信

2-220509152619B4.gif

1. 分析

上图中有两个局域网，【A、B 和路由1】同属一个局域网，而【C、D 和路由2】同属另一个局域网。如果我们希望让 A 和 D 之间进行通信，该怎么做呢？为了找到解决方案，我们必须首先明确一点：

公网（Internet）计算机无法直接向局域网内部的计算机传输数据，它必须先传输给 NAT 路由，然后再由 NAT 路由转发给局域网内部的计算机。

A 和 D 的通信要经过公网，这意味着：A 只能向 NAT 路由2传输数据，D 只能向 NAT 路由1传输数据。但是，这个时候尴尬的问题出现了，就是我们不知道两台路由器的 IP 地址和端口号，通信失败！

拿到对方计算机的 IP 和端口号，是网络通信的前提。从某种角度来讲，网络通信就是向某个 IP 和端口号发送数据。我们想一下【实例1】，C语言中文网服务器是如何知道 NAT 路由的 IP 和端口的呢？很简单，只要局域网内部的计算机访问一下服务器，服务器就能拿到 NAT 路由的 IP 地址和端口号（临时的）。

所以我们只要在公网中额外放置一台服务器，让 A 和 D 都访问这台服务器，然后获得 NAT 路由的 IP 和端口号，就能让 A 和 D 之间进行通信了。

绕来绕去，不同局域网中的计算机并不能直接通信，必须要有一台公网服务器牵线搭桥，有了这个“媒人”，它们之间就能直接发送数据了，就不需要公网服务器了。

我们和朋友可以微信视频，是因为我们在登录微信时都会访问腾讯的服务器，服务器会记录我们的 NAT 路由信息，当我们之间想发起视频时，服务器只需要告知对方的 NAT 路由信息就可以了。

2. 通信过程

最后，我们再来梳理一下通信细节。假设访问公网服务器以后，A 和 D 的 NAT 路由信息如下所示：

表四-1 路由 1 的NAT转换表

源私网 IP + 源端口号 公网 IP + 新端口号
192.168.1.2:1025 200.10.10.0:2222

表四-2 路由 2 的NAT转换表

源私网 IP + 源端口号 公网 IP + 新端口号
192.168.1.4:1025 200.20.20.0:3333

我们以 A 向 D 发送数据包为例，数据包在网络中的传输过程是：

（1）A 将数据包发送给 D 的默认网关，也就是路由 2。数据包中的目标 IP 地址为 200.20.20.0，端口号为 3333。

（2）数据包经过路由 1 时，数据包中的源 IP 地址和端口号被分别转换为 200.10.10.0 和 2222；

（3）经过因特网中多个路由器的转发，数据包最终会到达路由 2；

（4）路由 2 根据数据包中记录的目标 IP 地址和端口号，判断数据包确实是发送给当前局域网内某台机器的，于是收下数据包并根据 NAT 转换表将包中的目标 IP 地址和端口号分别转换为 192.168.1.4 和 1025；

（5）数据包达到 D 所在的局域网内部后，根据 IP 地址和 MAC 地址就可以找到机器 D。

反过来，D 向 A 发送数据包也是类似的流程。