初识网络协议：如何上网

Posted 2021-03-07 74percent

大多数人只知道拉一根网线，往有网卡的电脑上一插，什么也不需要做，就可以上网了。

其实在你看不见的地方，有很多事情发生了。

首先，ipconfig后你会发现，你被分配了一个IP地址，IP地址上面是网卡的MAC地址，系统还给你配置好了子网掩码和默认网关。

MAC地址是一个网卡的物理地址，用十六进制，6个byte表示。网卡自打生产出来，就带有号称全局唯一的MAC地址。不过MAC地址是一个局域网才有效的地址，所以只要局域网唯一就好了。

默认网关（Gateway），默认网关的地址一定和源IP地址是同一个网段，往往不是第一个就是第二个，如192.168.1.1。

有了IP地址和MAC地址，配置好了网关，我们就能上网了。这里以机器A访问机器B为例。

机器A当然知道自己的相关信息，要访问机器B肯定也知道机器B的IP地址，但是不知道B的MAC地址。

那么如何获取B的MAC地址呢？这里用到了ARP协议，也就是已知IP地址，求MAC地址的协议。

源IP地址：IP-A

源MAC地址：MAC-A

目标IP地址：IP-B

目标MAC地址：首先通过IP地址和子网掩码看是否在同一个局域网下，在同一个局域网下，就没网关什么事儿了，直接将源地址和目标地址放入IP头，然后通过ARP获取目标MAC地址，将源MAC地址和目标MAC地址放入MAC头中，发出去就可以了。

不在同一个局域网下，将源地址和网关IP地址放入IP头，通过ARP获取默认网关MAC地址，将源MAC地址和网关MAC地址放入MAC头，再发送出去。网关收到网络包后会转发给对应的设备，在这里，网关分两种，一种是不改变IP地址的，我们称之为转发网关，另一种是改变IP地址的，我们称之为NAT网关。为什么要改变IP地址呢？这也很好理解，内网访问外网的时候，都会被路由器NAT成运营商的地址，例如上一章ipconfig和浏览器查看IP。

很多情况下，人们把网关就叫作路由器。其实不完全准确，而另一种比喻更加恰当：路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网。每只手的IP地址都和局域网的IP地址有着相同的网段，每只手都是它握住的那个局域网的网关。任何一个想发往其他局域网的包，都会到达其中一只手，被拿进来，拿下MAC头和IP头，看看，根据自己的路由算法，选择另一只手，加上IP头和MAC头，然后扔出去。

MAC头和IP头的细节：

那么最后，我还有一个问题。为什么我插了网线，什么都没有做，就被分配了一个IP地址呢？

这是因为动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），简称DHCP。

有了这个协议，当一台新的机器加入一个网络的时候，新来的机器会使用IP地址0.0.0.0向广播IP地址255.255.255.255发送一个广播包，广播包是封装在UDP里面的，里面有新来的电脑的MAC地址。网络如果配置了DHCP Server（可以有多个），就立刻能知道来了一个新机器，就会根据MAC地址分配给它一个IP地址，我们称之为DHCP Offer。除此之外，服务器还会发送子网掩码、网关和IP地址租用期等信息。

新来的机器会选择接收最先到达的DHCP Offer，并发送一个DHCP Request广播数据包，包中包含机器的MAC地址、租约分配的IP地址、提供租约的DHCP服务器地址等。此时还是用0.0.0.0的IP地址进行广播，因为还没有得到DHCP Server的最后确认。当DHCP Server接收到DHCP Request后，会广播返回给新机器一个DHCP ACK消息包，里面有这一IP地址的合法租用信息额其他配置信息，表示已经接受了新机器的选择。当其他DHCP Server接受到DHCP Request后，发现没有接受自己给的IP地址，则会撤销提供的IP地址，以便提供给下一个新来的机器使用。

当IP地址租用期过去50%时，客户机会向为其提供IP地址的DHCP Server发送DHCP Request消息包。客户机接收到该服务器回应的DHCP ACK消息包，会根据消息包更新配置。这样，IP租用更新就完成了。

 

参考资料：《趣谈网络协议》