关于网络的总结（二）

• 局域网
  • 局域网就是若干台互相连接起来的机器，它们能够给彼此发送信息。最简单的情形就是用一根网线把两台电脑连接起来。当两台以上的机器要互相连接时，一般采用星型拓扑，即用一台交换机或集线器把各个机器连接起来。

    与局域网相对应就是广域网，也称公网。在上面描述的局域网中，信息的流动只能限于这个网内的机器；若要跟其他的局域网中的机器通信，需要在两个局域网之间架设网络。广域网本质上干的是同一件事情，只不过范围有点大，它能够连接全世界的局域网。我们平时所说的上网，指的就是通过广域网访问其他局域网或被访问。

  • 局域网与公网的对接

    如果局域网内只有一台机器（显然此时还不能称为“网”），那直接用网线把它和路由器的一个端口相连就行了。但是一台以上的机器连成网时，就需要通过交换机来连接路由器，交换机有一个端口和路由器相连，其他的端口连接的是局域网内的机器。

    和交换机直接相连的路由器被称为网关路由器，因为它是局域网和外界通信的关口。

  • 局域网的IP

    上篇文章中提到了IP的本质，它其实是由路由器决定的。路由器代表的是公网，所以IP是用来标识一个节点在公网中的位置。IP不关心某个节点的具体构成，节点可以是一台单独的电脑还可以是由若干台电脑组成的局域网。

    局域网内每台机器的IP又是如何分配的呢？这里要分两种情况：一种是每台机器有自己的公网IP；另一种每台机器没有公网IP，它们只有内网IP，然后共享同一个公网IP。此时，这个公网IP也被称为网关。

    由于在第一种情况下，局域网的每台机器可以代表公网的一个节点，故这个节点可以被替换成另一个局域网，即局域网中的子网，这个子网就是后一种情况。这种网中网的嵌套可以分为三种情况：第一种嵌套第一种；第一种嵌套第二种；第二种嵌套第二种。但是第二种不可以嵌套第一种。嵌套起来就很复杂了，但是基本原理是相通的。

    对于前者，我感觉交换机的作用就是路由器的一个扩展端口：本来路由器把一个IP映射到一个MAC地址，然后把这个MAC地址映射到一个端口；而现在IP和MAC的映射没有改变，但是却把这些特定IP（它们属于同一局域网）对应的MAC只映射到一个端口，通过这个端口和交换机相连。接着由交换机来完成MAC和特定主机的匹配。这等于是说，路由器中那张MAC地址和端口的映射表转移到了交换机中。

    需要牢记的是，交换机属于链路层设备，它只能读取MAC地址，不能识别IP地址。

    对于后者，需要用到NAT技术，即网络地址转换。因为局域网内所有机器共享一个IP带来这样一个问题：交换机接收到路由器发来的分组之后，这些分组具有相同的目的IP，交换机如何来确定这个分组到底要传给哪台机器呢？

  • NAT技术

    NAT技术的使命是完成内网IP和外网IP之间的转换，外网IP指的就是网关IP。它实现的核心其实是类似于路由器转发表的NAT转换表。

    局域网的核心是交换机，它只能识别MAC地址。但集成了NAT功能的交换机就不仅仅是普通的交换机了，比如家用的路由器，它包括至少三个功能：交换机，DHCP服务器，NAT。家用路由器不仅要完成交换机的功能，还要负责内网IP的分配，另外NAT功能也是必不可少的。所以，在这个设备上我们可以看到网络设备日渐模糊的界限，到底是谁集成了谁？

    所以，在第二种局域网中，处于核心的“多功能交换机”，首先要给内网的机器分配内网IP，这需要用到DHCP功能。

    现在，若有台机器得到的IP是192.168.122.105，它要跟外界通信，目的IP是123.25.36.10。该分组经过“交换机”时，源主机IP会被替换成网关IP108.122.31.25，并且会在NAT转换表中留下一条记录：

    | ——-源 ——— | —–目的—- |

    |192.168.122.105 | 123.25.36.10 |

    然后，当“交换机”接收到一个分组时，会识别其源主机IP，若它匹配123.25.36.10，那么就发给内网IP为192.168.122.105 的机器。

    我们应该知道，网络通信基本都是一问一答，问和答所使用的分组，其源主机IP与目的地IP正好是相反的。

    上面这个过程用到了NAT功能，显然这个模块可以识别IP且修改它。这不是普通交换机可以完成的任务。

  • ARP协议

    前面说过路由器有一张表可以把IP映射到MAC上。这个映射实际上是通过ARP协议完成的。

    很多书上都说ARP协议仅限于局域网内使用，我个人觉得不是这样的。前面说过，路由器内部也有ARP协议，但是路由器不属于局域网，它是公网上的一个节点。我的理解是：如果一台设备支持ARP协议，那么ARP只能解析与该设备直接相连的那些机器的IP；如果一个IP不能被解析，那么相应的分组会被发给该设备的上级路由器或网关路由器。

    在每台安装有TCP/IP协议的电脑或路由器里都有一个ARP缓存表(维基百科)

    我认为ARP协议的核心就是是这张表，存放IP和MAC地址的映射。ARP协议的工作包含两部分，一是动态生成这张表；二是根据表的内容完成对IP的解析，得出MAC地址。

    比如，局域网中的主机A向B发送消息，当消息从IP数据报封装成MAC帧前，会从A的表中查找B的IP对应的MAC地址，然后把这个地址封装到MAC帧中再发送出去。这里需要了解的是，这个MAC帧将会被所有局域网中的机器接收，类似于“广播”，所有机器都会检查这个帧中的MAC地址，如果和自己的MAC地址一致，将继续解封；否则，直接丢弃这个帧。

    如果A的表中没有与B的IP对应的MAC地址，那么A就向局域网中的所有主机发送一条ARP请求，这个请求包含B的IP地址，且MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，于是所有与交换机相连接的主机（包括路由器）都会收到这个请求，但是只有B会回应，因为只有B的IP与请求中的IP一致。这样，A就可以更新自己的表，填入B的IP与MAC的对应。

    但是，如果请求的IP不在这个局域网中，那么路由器会对请求做出回应，将自己的MAC地址发给A，当然是那个与该局域网相连的接口的MAC，因为一台路由可能同时连接了好几个局域网。

    但是这里有个问题：路由器如何知道请求的IP在不在这个局域网？呃，好吧，纠结了半天终于想通了；路由器会查询自己的转发表，最后它肯定能知道有哪些IP是和这个接口绑定在一起的。当路由器接收到一个ARP请求后，读取它的请求IP：

    • 如果这个IP是内网专用的IP，比如192.168.X.X，那它就直接丢弃不会应，因为显然这个IP肯定是局域网内某台机器的；
    • 如果这个请求IP是公网IP，它会对比转发表，若请求IP和这个接口是绑定的，那意味着请求IP必然是局域网中某台机器的，丢弃；
    • 那么就剩最后一种情况：请求的IP是公网IP且没有和这个路由器接口绑定，那意味着这个IP是外界的，只有此时路由器才会回应ARP请求，返回这个接口的MAC。

    当主机A知道了路由器的MAC地址后，剩下的事情就简单了：更新自己的缓存表；将MAC帧发送给路由器；路由器提取目的IP，利用ARP找到对应的MAC地址，再发送到相应的接口，完事。

  • 从上面的描述中我们可以看到，局域网中的机器互相通信时，信息是不经过路由器的，只需要经过交换机，无论这些机器具有公网IP还是内务IP，这会大大提升通信的效率。我想，这就是局域网的好处吧。

完。