局域网内pc是如何访问外网(电脑如何上外网)

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:

  1. 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
  2. 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:

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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

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