淺談網路-閘道器與路由

現在網路中充斥這各式各樣的資訊，那麼我們們的計算機是如何上網的呢？不知道你是否考慮過這個問題？今天就討論下，我們是如何在外網上網的。

現在我們家庭中一般上網的模式就是，買一個路由器，然後登陸路由器以後，配置好上網資訊，去連線路由，如果沒有開啟DHCP的話，會讓配置IP等資訊等，其中有一點需要注意的就是，需要配置一個名為“閘道器（Gateway）”的東西，配置過後往往就可以訪問目標機器了，訪問外網就需要跨過閘道器。

• 1.跨閘道器訪問外網涉及到哪些相比於區域網的改變？

要說改變的話，可能首當其衝的就該說IP和MAC的改變吧，需注意的是，當前本級的IP地址是當前區域網內的IP，也就是說，並不能在外網中當作識別的“門牌”，那麼它是怎樣變化的呢？請看下我剛從google上找到的一個相關報頭的示意圖我覺得很不錯就直接引用了。

1.這裡來講解下這張圖，在 MAC 頭裡面，先是目標 MAC 地址，然後是源 MAC 地址。
2.協議型別是當前協議的型別，我們們一般訪問網頁啥的會說明我們們用的是IP協議。
3.IP頭中所說的版本號，在我們們當下主流使用的是IPv4。
4.首部長度指明IPv4協議包頭長度的位元組數包含多少個32位。
5.TOS 定義IP封包在傳送過程中要求的服務型別。
6.總長度指的是IP協議頭格式中指定IP包的總長，通常以byte做單位來表示該封包的總長度，需要注意的是此數值包括標頭和資料的總和，佔16位說明其最長為65535位元組，但不是說一個IP資料包就會那麼長，實際上它會被鏈路層進行進一步的拆分傳送。
7.標識是每一個IP封包都有的一個16位的唯一識別碼。
8.標誌，這是當封包在傳輸過程中進行最佳組合時使用的3個bit的識別記號。
9.片位移是指網路包被拆分的順序，由於拆分後，接受的順序不一定是被拆分的順序，所以需要這個。
10.TTL是指生存時間，這個欄位設定了資料包可以經過的最多路由器數，表示資料包在網路上生存多久｡
11.這裡的協議就是下一層的協議，也就是，是 TCP 還是 UDP。
12.最重要的就是這個源IP地址和目標IP地址，要通過這個來判斷這個是否要經過閘道器出去到外網。判斷依據就是是否在同一個網段，利用CIDR和子網掩碼可得。

資料發往閘道器的步驟與內網裝置互動相同，先在報文中加入源IP地址和目標IP地址，利用ARP找到閘道器的MAC地址，加入報文，進行傳送。

而閘道器往往是一個路由器，是一個三層轉發的裝置，拿下MAC頭和IP頭，檢視報文要被轉發到哪裡，並進行處理。我曾經看到過對於路由器的一個很好的比喻分享給大家：“路由器是一臺裝置，它有五個網口或者網路卡，相當於有五隻手，分別連著五個區域網。每隻手的 IP 地址都和區域網的 IP 地址相同的網段，每隻手都是它握住的那個區域網的閘道器。 ”，也就是說任何一個想發往其他區域網的包，都會到達其中一隻手，被拿進來，拿下 MAC 頭和 IP 頭，看看，根據自己的路由演算法，選擇另一隻手，加上 IP 頭和 MAC 頭，然後扔出去。

那麼問題來了，發往其他地方的包，該選擇哪個手扔出去呢？並且其中哪些內容要變呢？實際上可以分為兩類，靜態路由和動態路由兩種處理方式

靜態路由：其實就是寫死了很多的規則，想去這個網段的從這個口出，想去另一個網段的，就從另一個口出。
動態路由：通過一定的演算法，生成動態路由表，隨著網路狀態的改變而改變。

前面鋪墊了那麼多基礎知識，那麼到底IP和MAC中哪些變哪些不變呢？（以下按照靜態路由的方式說明，因為簡單）

首先說下MAC地址，由於MAC地址是一個區域網內才有效的地址，所以出閘道器的話肯定會變。IP地址的話一般我們需要按照情況分為兩類討論，兩者主要的區別在於 IP 地址是否改變，不改變該IP地址的，被稱作轉發閘道器，改變IP地址的被成為NAT閘道器。

（安利個畫圖軟體，ProcessOn，還挺好用的，手動滑稽）
1.轉發閘道器

上圖發生的一個變數改變，「靜態路由表，對應網段網口已經配置好，會按配置表跳」：
（1）源MAC：裝置A的MAC；目標MAC：路由A的MAC；源IP：192.168.2.112；目標IP：192.168.4.112
（2）源MAC：路由A的MAC；目標MAC：路由B的MAC；源IP：192.168.2.112；目標IP：192.168.4.112
（3）源MAC：路由B的MAC；目標MAC：裝置B的MAC；源IP：192.168.2.112；目標IP：192.168.4.112

從上面可以知道，源IP和目標IP是不變的，MAC是要變的，報文中不儲存閘道器資訊，也就是說所謂的下一跳是，某個 IP 要將這個 IP 地址轉換為 MAC 放入 MAC 頭中。「需要注意的是，這裡更類似我們所說的拓撲網路，IP地址在三個區域網可見，並且相互不會衝突」

2.NAT閘道器
這裡跟上種形式最大的區別就是，彼此網路中IP可能會產生衝突。就例如北京有個“蓮花街23號”，石家莊也有個“蓮花街23號”。那麼這時候，我們們就需要讓他有一個“國際身份”，凡事要去北京的就先到北京，凡事要到石家莊的就先到石家莊，再去各地的“蓮花街”。如下圖，兩個都是192.168.2.1

上圖發生的一個變數改變
（1）源MAC：裝置A的MAC；目標MAC：路由A的MAC；源IP：192.168.2.112；目標IP：192.168.3.2
（2）源MAC：路由A的MAC；目標MAC：路由B的MAC；源IP：192.168.3.1；目標IP：192.168.3.2
（3）源MAC：路由B的MAC；目標MAC：裝置B的MAC；源IP：192.168.3.1；目標IP：192.168.2.112

從裝置 B 接收的包可以看出，源 IP 為裝置 A 的國際身份，因而回包的時候也應該是A的國際身份，由路由 A 做 NAT，轉換為國內身份。我們們家中所使用的路由器多采用該種模式。

總結一下：
1.如果區域網需要訪問外網的話，就需要過閘道器，過閘道器的判斷標準就是訪問的地址是否在統一網段內，根據CIDR和子網掩碼算下。
2.路由器是一個三層裝置，裡面有如何尋找下一跳的規則，分為靜態路由和動態路由
3.閘道器有兩種，轉發閘道器和NAT閘道器。轉發閘道器MAC地址不變，改變IP；NAT的是關鍵是一個“國際身份”
4.MAC頭和IP頭的那些概念