【计网】从零开始认识IP协议 --- 理解网段划分，NAT策略，私有IP和公网IP，认识公网

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任何收获都不是偶然，

一点一滴的进步终会让未来的你焕然一新！

从零开始认识IP协议

1 为什么要进行网段划分
2 特殊IP地址与数量限制
3 私有IP和公网IP
4 彻底理解网段划分
5 认识公网

1 为什么要进行网段划分

我们以一个例子来讲解为什么要进行网段划分：

在我们的学校里，学生的学号都是精心设计过的：16位二进制数表示，前6位表示学院号，后10位表示学生号。假设有这样几个学院：

机电与信息工程学院 000001
数学与统计学院000101
艺术学院001001
翻译学院001011
计算机学院001111

每个学院都有各自的学生会，学生会知道其他学院的各自编号。对于自己学院的学生，可以通过将前6位去除，只看后10位来找到对应学生。学校又有一个总学生会，今天总学生会将24级新生组成了一个大的聊天群！
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这一天，小明捡到了同一个钱包，里面有一个学生证，已经磨损的只能看清学号0010110101010011了。这时他不知道这个学号到底是那个学院的，所以就把学生证交给了学生会，学生会知道学院掩码是1111110000000000，所以就知道学院号是001011，通过他掌握的信息，他知道这个是翻译学院的，所以就通过校学生会将钱包转交给了翻译学院学生会，翻译学院学生会看到了这个学生证的学号，立刻就找到了这名同学！

这个场景中：

学校是公网，这个公网中有若干子网
每个学院是一个子网，校学生会是出入口路由器，作为通信的中转站
学号是IP地址，学院号+学生号就是网络号+主机号
钱包转交的过程，就是报文通过路由器通信到目的主机！

网段划分通过这样精心的设计，合理的划分，可以高效支持未来报文路径查找，大大提高了查找目标主机的效率！！！

2 特殊IP地址与数量限制

在一个子网中有这样几个特殊的IP地址：

将 IP 地址中的主机地址全部设为 0, 就成为了网络号, 代表这个局域网。
将 IP 地址中的主机地址全部设为 1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。
127.*的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试，通常是 127.0.0.1。

目前互联网中主要是使用IPv4版本的IP，IP 地址的IPv4版本是一个 4 字节 32 位的正整数。那么一共只有 $2^{32}$ 个 IP地址，大概是 43 亿左右。而 TCP/IP 协议规定, 每个主机都需要有一个 IP 地址。这意味着, 一共只有 43 亿台主机能接入网络么?

实际上, 由于一些特殊的 IP 地址的存在，数量远不足 43 亿，另外 IP 地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个 IP 地址。

CIDR 在一定程度上缓解了 IP 地址不够用的问题，提高了利用率，减少了浪费，但是 IP地址的绝对上限并没有增加，对于现在人手一台的手机，每个家庭的路由器（路由器需要两张网卡），各种服务器…仍然不是很够用。这时候有三种方式来解决:

动态分配 IP 地址: 只给接入网络的设备分配 IP 地址。因此同一个 MAC 地址的设备，每次接入互联网中，得到的 IP 地址不一定是相同的。
NAT 技术(后面会重点介绍)。这是当前解决IP地址不足的主要的办法！
IPv6: IPv6 并不是 IPv4 的简单升级版。这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容！ IPv6 用 16 字节 128 位来表示一个 IP 地址。这是最高效的解决IP地址不足的方法！但是目前 IPv6 还没有普及。

3 私有IP和公网IP

在使用Linux进行网络编程时，我们经常会遇见两个名词：私有IP和公网IP。这两个IP到底有什么区别？

首先，如果一个学校组建一个局域网，IP地址只能用于局域网的通信，而不是直接连接到Internet上。所以理论上，在这个局域网中，使用任意的IP地址都可以，只有在内部不重复就可以！但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址

10.*，前 8 位是网络号，共 16,777,216 个地址
172.16.* 到 172.31.*，前 12 位是网络号，共 1,048,576 个地址
192.168.*，前 16 位是网络号，共 65,536 个地址

包含在这个范围中的，都成为私有 IP，其余的则称为全局 IP(或公网 IP)！在局域网中只能使用上面三种私有IP，这个数量一定是足够使用的！

私有IP是不能出现在公网中的！！！
私有IP是随机分配的，保证在局域网中不重复，在不同子网中可以重复！

注意，没有人可以直接连接到公网中，上网的前提是必须接入到一个内网中！能连接到公网的只有运营商！

4 彻底理解网段划分

来看一张图：

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家庭中在建设时都会装有光纤，可以通过运营商安装路由器。安装的路由器带有一个 LAN 口 IP(子网IP)，这样就构建起了一个子网；同时路由器还带有另外一个WAN口IP，这个IP是在运营商的大路由器构建的子网中的！

一个路由器可以配置两个 IP 地址：一个是 WAN 口 IP，一个是 LAN 口 IP(子网IP)。
家庭中我们连接WiFi，会被分配一个私网IP，通常是192.168.*，毕竟一个家庭应该不会有超过66536个设备吧！
运营商的路由器也同样是一个子网，可能是覆盖一个区，一个村，一个小区。这个路由器向上还连接着区域更大的路由器！

最终进入公网的路由器是出入口路由器！也有WAN 口和LAN 口 IP。这时就连接到了公网中！可以与其他的路由器进行通信了！

这时，我们就要有一个共识：平时上网是在私网中进行的！所以我们上网缴纳的宽带费，流量费才都给了运营商！因为我们想要进行上网，一定是会经过运营商的路由器！

所以这就是网络最终的模型吗？我们模拟一下数据通信的过程验证一下：

假如现在我们想要访问抖音服务器。此时客户端生成了一分报文。因为主机中有传输层和网络层，也可以通过子网掩码找到当前子网的网络号！注意：任何一个主机都有能力知道与自己直连的网络号是多少！
同样，通过报文我们也知道要去的目标网络的私网IP，通过比较知道了其不再同一个网段，所以此时就通过路由器去其他路由器进行路径查找！
根据抖音的网络号，我们找到了对应的服务器，可以进行访问了

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那么，这是请求报文到达了，抖音服务器要进行应答返回时就傻眼了！这个目标IP的网络号192.168.*怎么又重复的啊！为什么呢？