局域网

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子网与子网掩码

网络上，数据从一个地方传到另外一个地方，是依靠 IP 寻址。从逻辑上来讲，是两步的。

第一步，从 IP 中找到所属的网络，好比是去找这个人是哪个小区的；

第二步，再从 IP 中找到主机在这个网络中的位置，好比是在小区里面找到这个人。

第一步中的网络，就称之为「子网」（Subnet）。从逻辑上来讲，一般同一子网（Subnet）是使用相同的网关。就好比，一个小区的入口。 IPv4 的 IP 地址是 32 位的，形式如 http://xxx.xxx.xxx.xxx，每一个 xxx 取值都是 0 - 255。到底是前三个 xxx 相同，就代表同一个子网，还是前两个，还是其他？这个并不一定。就好比小区有大有小，有的小区有上千户人家，有的小区只有区区几个。所以，就引入子网掩码（Subnet Mask）来标识该子网的大小。

我们一般看到的 IP 地址是十进制的编码，所以如果换一个视角，从二进制的角度看，每一个 IP 地址就是 32 位 1 或 0。子网掩码，就是用来告诉这个子网的覆盖区间。这 32 位中，前多少位是网络段？当然，余下的就是主机段。

举典型的例子：IP 中前 24 位代表子网号，后 8 位代表主机号。所以子网掩码就是 24 个 1（代表前 24 位是子网部分），加 8 个 0（后 8 位是主机部分）。如果沿用 IP 的标识方式，就是 255.255.255.0 。每一个 255 对应 8 个二进制 1，最后一个 0 对应 8 个二进制 0。该子网可以容纳最多 256 台主机，也就是主机号从 0 到 255。当然，实际情况没有这么多，有一些特殊数字有保留用处（广播、网关等）。

网关

大家都知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。

什么是网关

顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。

按照不同的分类标准，网关也有很多种。TCP/IP协议里的网关是最常用的，在这里我们所讲的“网关”均指TCP/IP协议下的网关。

那么网关到底是什么呢？网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机。网络B向网络A转发数据包的过程也是如此。

所以说，只有设置好网关的IP地址，TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。那么这个IP地址是哪台机器的IP地址呢？网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。

通信举例

术语:

  • 数据包（packet）：IP 协议传送数据的单位；
  • 帧（frame）：链路层传送数据的单位；
  • 节点（node）：实现了 IP 协议的设备；
  • 路由器（router）：可以转发不是发给自己的 IP 包的设备；
  • 主机（host）：不是路由器的节点；
  • 链路（link）：一种通信机制或介质，节点可以通过它在链路层通信，比如以太网、PPP 链接，也包括隧道；
  • 接口（interface）：节点与链路的连接（可以理解为抽象的“网卡”）；
  • 链路层地址（link-layer address）：接口的链路层标识符（如以太网的 mac 地址）；

以太网络中包的转发

要想讲清楚这个问题，我们要从 IP 的工作过程说起。来看网络拓扑：

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192.0.2.0/24                  203.0.113.0/24
           |                                   |
+-----+    |                                   |    +------+
|  A  |----+                                   +----|   B  |
+-----+    |                                   |    +------+
 192.0.    |                                   |     203.0.
  2.3      | 192.0.2.1 +-----+ 203.0.113.1     |     113.4
           +-----------|  R  |-----------------+
           |    en0    +-----+       en1       |
           |                                   |

我们现在考虑这样的一个网络，这个网络中有两个链路（介质是以太网），分别是 192.0.2.0/24 和 203.0.113.0/24。两个链路中各有一个主机，接口的地址分别是 192.0.2.3 与 203.0.113.4，子网掩码都是 /24。有一个路由器 R，有两个接口，分别与这两个链路相连，地址分别是 192.0.2.1 和 203.0.113.1 ，子网掩码都是 /24。A 和 B 都把 R 作为自己的默认网关。

今 A 要给 B 发送一个数据包。按照 IP 协议的工作过程，发生的事情应该是这样的：

  • A 生成一个数据包，目的地址填 203.0.113.4，源地址填 192.0.2.3；
  • A 查本机路由表，匹配默认路由，选定下一跳 192.0.2.1 和相应出接口；
  • A 将包发出；
  • R 收到该数据包，查 R 的路由表，匹配链路本地路由 203.0.113.0/24，出接口 en1；
  • R 处理该数据包（TTL 减一，重算 checksum），然后从 en1 发出；
  • B 收到该数据包，并处理。

看起来没什么问题，很简单。但是你会注意到，这个 “下一跳”，似乎和数据包的内容没什么关系。你应该能察觉到我在什么地方故意遗漏了些东西。

其实，这里出问题的地方就是 “A 将包发出， R 收到该数据包” 的过程。如果要刨根问底，我们就要搞清楚 A 是怎么发出的数据包，R 是怎么收到的。

众所周知，IP 工作在第三层，要想发送数据，数据必须要委托给第二层——链路层来发送。我们这里的链路层是以太网。在以太网上，数据以帧为单位进行传送。也就是说，这个数据包要被包装为一个帧，从 A 发给了 R。

问题来了，以太网上传输的帧需要源 MAC 地址和目的 MAC 地址。这里的源 MAC 地址，显然是 A 的 MAC 地址，但是目的 MAC 地址是什么呢？稍加思考，你就会知道，肯定是 R 的 en0 的 MAC 地址。而 A 是怎么知道 R 的 en0 的 MAC 地址呢？这时，下一跳地址闪亮登场。A 之所以能知道 R 的 en0 的 MAC 地址，是因为 A 在路由查找的时候，确定了“下一跳地址”和出接口，然后，它在出接口的链路上通过 ARP 的方式，解析这个“下一跳地址”对应的 MAC 地址。

一般地，任何一个节点在发送（转发或直接发送）数据包的时候，都会查本机路由表，确定出接口和下一跳地址（如果有），而结果往往分两种情况：

  • 目的 IP 地址是 On-link，即查到的路由是链路本地路由（如 R 将数据包发送给 B 的过程）。那么直接在出接口所在链路上，使用目的 IP 地址，作地址解析，得到链路地址，将其发出。

  • 目的 IP 地址是 Off-link，即查到的路由有下一跳地址。那么此时，在出接口链路上，使用下一跳地址作地址解析，得到链路地址，将其发出。