0. 粉丝提问

粉丝提问： 我们的电脑是如何获得路由器自动分配的ip地址，并实现上网的？

粉丝提问，一口君必须满足！好在一口君对网络协议还是比较熟悉的，毕竟当年也有几篇专利，做过的网络协议模块一大堆。

【本文默认大家了解了IP地址，及其分类】

粉丝提问

一、家庭网

这个问题说难不难，但是要想解释清楚，我们还是需要一些基础知识。

1. 家庭网络简介

如上图是一口君家庭网络组网环境。

要连接公网，必须通过Modem拨号才能上网，拨号通过pppoe协议拨号
wlan路由器的wan口链接ADSL 猫，会动态获取一个公网IP地址100.87.59.254，在广域网内，任何一个主机，均可以访问到该ip地址
台式机、手机、ipad、笔记本等终端可以通过有线或者无线的方式通过共享无线路由器的wan口访问公网
终端通过路由器的dhcp协议自动获取的地址是局域网地址，pc获得地址是192.168.0.104，网段是192.168.0.0/24，但是我们无法使用该地址直接访问公网
局域网内终端通过共享WAN地址上网，所有走wlan路由器的数据包都要通过NAT协议进行源、目的IP，源、目的端口号的转换
局域网内终端之间通信运行的是以太网协议，网卡通过mac地址过滤数据帧
要获取局域网内其他网口的mac地址需要通过arp协议
公网内路由器之间数据传输一般是ppp协议

WAN口地址：100.87.59.254

2. 本地IP地址

一口君的pc是通过无线连接的无线路由器。 PC网络信息如下：

ipconfig /all

mac地址

本机无线网卡信息：

ip地址:192.168.0.104 mac地址：44-33-4C-FF-5A-22 子网掩码：255.255.255.0 默认网关：192.168.0.1 DHCP服务器：192.168.0.1

后面几章我们普及下一些网络的基础知识。

二、router路由器

路由器（Router）是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。

转发策略称为路由选择（routing），这也是路由器名称的由来（router，转发者）。

作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP 的国际互联网络Internet 的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的骨架。

第一章图中的无线路由器就是我们最常用的路由器。

通常有一个wan口，4个物理连接网口。既可以通过网线连接，也可以通过无线连接，通常带宽100M到450M。

此外还有只有在一些大型的机房中才能看到的大型路由器。这些路由器性能强悍，带宽可高达T一级。

路由器

以下是1个企业级网络的组网拓扑图，我们通常用图中的图标表示路由器：

企业级网络拓扑结构

路由器的一些使用规则：

路由器工作在IP(网络)层;
路由器用来连接不同的网络；
路由器的每一个接口都必须是不同网段的；
路由器之间互联是接口直接连接，一般用ppp协议通信；
处于不同网络中的2个设备要想互相通信，必须通过路由器；
一个成熟稳定的网络，路由器必须知道每一个网络设备到达另外一个网络的通路，否则会直接丢弃，路由器通过路由表来维护这些通路；
路由器只解析到数据包的IP层（传输层和应用层不会查看）

三、路由表

刚才我们说了，公网里，数据包要想到达目的地，必须通过设备路由器，那么路由器是如何知道把数据包送到目的地的呢？

就要通过路由表。

1. ip头

公网中的数据包都是ip数据包，ip数据包头中有个非常重要的协议字段：目的地址。

一口君随机抓取了一个本机网络通信的ip数据包：

ip头

如上图所示，源ip地址是：192.168.0.104 目的ip地址是：140.246.147.33

很显然，源地址是一个c类地址，就是本机地址，也是一个私网地址，目的地址是一个公网地址。

路由器之所以能转发数据包就是靠路由表和ip数据包的目的ip地址+源ip地址。

2. 路由表

以下是windows下的路由表

route print

windows路由表

路由表中包含了若干个路由条目。

PC路由条目：

名称说明网络目标表示要到达某个网段的网络，可以查询该条路由条目网络掩码点分十进制法，配合网络目标，可得出最终的目标网络号网关数据包要发送给哪个网口所在的路由器接口表示数据包要从哪个本地的接口发送出去跃点数数据包在网络中最多能经过多少个路由器，放置数据包在网络中无限转发

永久路由：

网络地址网络掩码网关地址跃点数 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.0.1 默认

该条路由其实是一条默认路由，表示如果查找不到路由条目，就将数据包发送给192.168.0.1这个ip地址所在的路由器。

3. 公网中路由器非常的多，路由器是如何知道到达所有的网络的通路的呢？

通常借助ospf、rip等协议可以动态学会到达各个网络的协议。

广域网中的设备路由协议更加复杂，往往需要专业的网络工程师搭建网络。

此块内容不再

四、DHCP+wlan

家用路由器也是路由器一种，只是他只能连接两个网络，一个是局域网，一个是与运营商连接的那个网络。

无线路由器上设置拨号账号以及设置无线ssid、密码在此不讨论。

1. PPPOE拨号

拨号上网

家用路由器上网通常是通过PPPoE拨号上网，账号密码由运营商提供。

拨号成功后会获得一个公网IP。

如果拥有一个固定的公网IP，那么此处也可以设置固定ip。

一口君当年第一份工作是在ZTE，参与开发的第一个项目就是在路由器中实现PPPoE client模块，一把辛酸泪啊。

2. DHCP

DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码。

DHCP

如上，地址池地址是192.168.0.100~192.168.0.199；这就是为什么我们的终端连接家用路由器之后，获得地址192.168.0.104。

分配动态ip地址的时候，同时也会分配DNS服务器地址和网关地址。这也就是为什么，我们并没有设置任何路由条目，但是我们能上网的原因。

以下是连接到无线路由器的客户端的MAC地址和IP地址信息：

DHCP设备

3. 局域网

以太网是一种局域网，但是因为现在大部分的局域网均为以太网，因此一般提及局域网都会默认为以太网。

以太网是一种总线型局域网，它并不是一种具体网络，而是一种技术规范，由施乐公司创建，并由施乐、Intel和Dec公司联合开发的局域网规范。

上述家用的无线网络，大多数是无线局域网，是基于IEEE802.11标准，在这个标准下的无线局域网大多使用的是2.4GHz 或5GHz的射频。

工作原理：

采用载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD）机制。

以太网中结点都可以收到在网络中传送的所有信息。因此，以太网是一种广播网络。

实例：

总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。这样就在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

在这里插入图片描述

4. Mac地址

在以太网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，６个字节，共48 位。

IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.

如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理,否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

5. ARP

假如我们要访问局域网中的另外一个pc上的进程，假设我们只知道对方的IP地址，那么如何才能知道对方的mac地址呢？

可以通过ARP协议。

ARP（地址解析）协议是一种解析协议，本来主机是完全不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个接口，当主机要发送一个IP包的时候，会首先查一下自己的ARP高速缓存（就是一个IP-MAC地址对应表缓存），如果查询的IP－MAC值不存在，那么主机就向网络发送一个ARP协议广播包。

这个广播包里面就有待查询的IP地址，而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的IP地址，如果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件，那么就准备好一个包含自己的MAC地址的ARP包传送给发送ARP广播的主机。

而广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存（就是存放IP-MAC对应表的地方）。发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的的数据包发送工作。

windows 的arp表查询：

arp -a

arp -a

如上图所示，是PC缓存的arp表。其中192.168.0.1 80-8f-1d-c7-a6-07就是无线路由器的LAN口ip地址、MAC地址。

5. NAT

最后一个知识点是，局域网内的终端是如何共用一个wan口来上网的？

主要通过NAT（Network Address Translation，网络地址转换）协议来实现的。

NAT是1994年提出的。当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密）时，可使用NAT方法。

这种方法需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。

另外，这种通过使用少量的公有IP 地址代表较多的私有IP 地址的方式，将有助于减缓可用的IP地址空间的枯竭。在RFC 2663中有对NAT的说明。

举例：

经过NAT转换的数据包IP地址替换见下图：

NAT

如上图所示：

从局域网内部发往路由器的数据包，源ip：192.168.0.104，经过路由器之后源ip替换为WAN口地址：100.87.59.254
从服务器返回的数据包目的ip地址：100.87.59.254，经过路由器之后又被替换成了192.168.0.104，这样数据包就可以发送到局域网内部的某个终端了

五、总结

综上，我们可知，粉丝的问题答案：

路由器的IP地址分wan口和lan口，wan口地址是PPPoE拨号时运营商的其他设备分配的用于公网寻址，lan口地址在路由器中设置, 用于和局域网内终端通信
终端连接无线路由器时，路由器通过dhcp协议给终端分配了动态ip地址，通过DHCP的地址池可以设置分配的ip地址的范围
分配ip地址的时候，同时终端会将无线路由器的lan口地址设置为自己的默认网关，所以pc访问外网，所有的数据包都会发送给网关，就是无线路由器
当用户要访问外网的时候，需要知道网关的mac地址，如果arp缓存中没有对应的的arp条目，那么就通过arp协议找到lan口的mac地址，因为网关地址已分配
局域网内终端通过共享WAN地址上网，所有走wlan路由器的数据包都要通过NAT协议进行源、目的IP，源、目的端口号的转换

局域网内pc是如何访问外网？答案在最后