网卡与路由器

March 22, 2019

整理自：网卡与路由器

TODO: 以下只是梗概

DHCP

网卡都有一个全球唯一的地址，这个地址在网卡制造时就是确定的，称为 MAC 地址。如：11:27:F5:8A:79:54。
电脑初接网络时，需要确定 IP 地址，由 DHCP（动态主机配置协议）分配。
但是电脑刚接入网络，不知道 DHCP 在哪里，如何配置？操作系统在应用层创建 DHCP 发现报文，由 UDP 报文封装，再被 IP 数据报封装：
```
收件人：255.255.255.255: 67
发件人：0.0.0.0: 68
内容：新电脑需要租用一个 IP 地址，谁有？
```
以上 IP 数据报到达网卡处，网卡工作在数据链路层，必须要知道对方的 MAC 地址才可以发送数据，如果不知道的时候就对外广播，使所有电脑都收到该数据，现在不知道 DHCP 服务器 MAC 地址，所以要广播。于是把 IP 数据报再次封装：
```
目的地：FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播到同一子网内的所有电脑）
发件人：11:27:F5:8A:79:54（当前电脑）
```
之后把数据通过网线发给了交换机。
交换机收到目的地为 FF:FF:FF:FF:FF:FF，转发给所有连到交换机的设备；
局域网内存在 DHCP 服务器，且不止一台，交换机把 DHCP 的回信转回当前电脑，其中一封信的内容如下：
```
我是 DHCP 服务器 192.168.1.1，我这里有空闲 IP `192.168.1.2`，你要不要租？
```
其他信内容也差不多，提供了另外的 IP。
操作系统选择了其中一个 IP，如上步骤向写了回信广播出去：
```
你好，服务器 192.168.1.1，我要 IP 192.168.1.2 了。
```

DHCP 服务器确认后向本机发回信：

这是确认信，IP 192.168.1.2 就给你了。网关路由器是 192.168.1.1，DNS 服务器地址是 202.102.224.68。

操作系统把这些网络信息都保存下来：

IP: 192.168.1.2
Gateway: 192.168.1.1
DNS: 202.102.224.68

除非手动配置，否则电脑重启后都要重复以上步骤。

DNS 和 ARP

访问互联网，得先有 IP 地址。一般使用的是可读性更好的域名，则需要把域名翻译为 IP 地址才行，这通过 DNS 来实现。

操作系统向 DNS 服务器写了一封信交给网卡发送：

发件人：192.168.1.2（本机 IP）
收件人：202.102.224.68（DNS 服务器）
内容：哥们，给我查查 www.baidu.com 的 IP 地址吧

但是网卡并不知道 DNS 服务器的 MAC 地址，也不在同一子网内，总不能广播吧（注：通过子网掩码判断是不是在同一子网）。由于不在同一子网，则要把信发送网关路由器，由其转给 DNS 服务器。这时需要查一下网关的 MAC 地址，如果没有缓存的话就需要通过 ARP （地址解析协议）广播查询一个 IP 地址对应的 MAC 地址，把以下消息广播出去，子网内所有机器都会收到，网关路由器也不例外：
```
收件人：FF:FF:FF:FF:FF:FF（同一子网内所有电脑）
发件人：11:27:F5:8A:79:54（本机）
内容：呼叫网关路由器（192.168.1.1），请问你的 MAC 地址是什么？
```
电脑收到 ARP 应答：
```
88-25-93-79-E0-C8
```
并缓存下来。
查到网关路由器的 MAC 地址后，把之前的 DNS 查询发给网关即可。
DNS 服务器很快返回 www.baidu.com 的 IP：115.239.211.112，电脑缓存该地址。
所有工作都准备好了，可以正式上网了。创建 TCP 连接，通过 TCP 发送 HTTP GET 请求，轻松把百度的主页获取到本机，浏览器对主页内容进行解析显示。

网关路由器

router

网关，访问广域网必经的一关，IP 由 ISP（网络服务提供商，Internet Service Provider）提供并与其网络相连。

NAT（网络地址转换）

网关不仅仅是路由器，还是一个 DHCP 服务器，局域网内主机无法使用 DHCP 分配的 IP 无法直接上网，因为这是内网 IP，外网主机并不知道这个内网 IP 是谁的。因此内网主机要上网必须通过路由器。在内网主机访问外网时，通过交换机给路由器发去一个数据帧：

以太网帧
目的地：88:25:93:79:E0:C8
源地址：11:27:F5:8A:79:54
    IP 数据报
    目的地：115.239.211.112
    源地址：192.168.1.2
        TCP 报文
        目的地端口：80
        源地址端口：3345
            HTTP 报文
            GET / HTTP/1.1
            Host: www.baidu.com

路由器收到后把数据链路层解开，发现 IP 数据包中的目标地址是 115.239.211.112，就知道这是发向外网的请求。于是把 IP 数据包中的源地址 192.168.1.2 替换成路由器的外网 IP，并创建一个新的端口号 2001，把 TCP 数据包中的源端口也替换掉，数据包就变成了这样：

IP 数据报
目的地：115.239.211.112
源地址：61.52.247.112
    TCP 报文
    目的地端口：80
    源地址端口：2001
        HTTP 报文
        GET / HTTP/1.1
        Host: www.baidu.com

这样就让外网认为这是路由器发出的请求，因为外网并不知道内网主机的存在。接着查询路由表，确定到底转发到哪个端口去，再给这个 IP 数据报封装到数据链路层，把数据包发给 ISP 的网络，剩下的事就不是路由器管的了。

以太网帧
目的地：XX:XX:XX:XX:XX:XX
源地址：88:25:93:79:E0:C8
    IP 数据报
    目的地：115.239.211.112
    源地址：61.52.247.112
        TCP 报文
        目的地端口：80
        源地址端口：2001
            HTTP 报文
            GET / HTTP/1.1
            Host: www.baidu.com

以太网帧的 MAC 地址，源地址已经变成路由器的了，而不是内网主机的。这个替换源地址和源端口过程称为网络地址转换(NAT)。

由于内网主机不止一台，路由器需要把这些转换信息以表形式记下：

WAN 端	LAN 端
61.52.247.112:2001	192.168.1.2:3345
……	……

当百度的响应通过别的路由转回来，路由器需要反过来处理：去掉数据链路层，查 NAT 表把 IP 和端口转为对应的内网主机。

NAT 穿越

P2P 软件电驴。P2P 就是 Peer to Peer，网络中的机器是对等的。

所有使用电驴的机器不仅仅是一个发起请求下载数据的客户端，同时也是一个能够接受请求，向外发送数据的服务器。这样一样，当下载大文件时，就可以从很多安装了电驴的机器上分块下载，而不仅仅从一个服务器上下载，速度快了很多。

一般情况下，局域网内某台主机试图做服务器时，其他电驴根本连不上它，因为局域网主机的 IP 是路由器分配的，是个内网地址，外网主机根本不知道。

这时候，主机可以主动要求路由器建立一个 NAT 映射192.168.1.2:4096 <-> 61.52.247.112:3001，路由器把该映射保存到 NAT 表中，内网主机就可以对外通告自己是电驴服务器，谁要连接的话就连61.52.247.112:3001，这样外网连接的时候，路由器必须把请求转到该映射主机。

这些都可以通过路由器来设置。

Tags:

网卡, 路由器, NAT, DHCP, ARP, DNS