NAT 与 ARP 协议

私有 IP 地址

之前我们讨论了， IPv4 协议中，IP 地址数量不充足的问题
NAT 技术当前解决 IP 地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；
NAT 能够将私有 IP 对外通信时转为全局 IP。也就是就是一种将私有 IP 和全局 IP 相互转化的技术方法；
很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有 IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局 IP；
全局 IP 要求唯一，但是私有 IP 不需要；在不同的局域网中出现相同的私有 IP 是完全不影响的；

路由器对目的地址是私有 IP 地址的数据报一律不进行转发。

网络地址转换 NAT

网络地址转换 NAT (Network Address Translation) ：在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件，安装了 NAT 软件的路由器叫 NAT 路由器，它至少有一个有效的外部全球 IP 地址。

NAT 路由器将源地址从 10.0.0.10 替换成全局的 IP 202.244.174.37；
NAT 路由器收到外部的数据时，又会把目标 IP 从 202.244.174.37 替换回 10.0.0.10；
在 NAT 路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；

网段划分

IP 地址分为两个部分，网络号和主机号

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起，如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的 IP 地址都不相同。

手动管理子网内的 IP，是一个相当麻烦的事情。有一种技术叫做 DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配 IP 地址，避免了手动管理 IP 的不便。一般的路由器都带有 DHCP 功能。因此路由器也可以看做一个 DHCP 服务器。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有 IP 地址分为五类，如下图所示：

A 类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
B 类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
C 类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
D 类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
E 类 240.0.0.0 到 247.255.255.255

随着 Internet 的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请 B 类网络地址，导致 B 类地址很快就分配完了，而 A 类却浪费了大量地址。

分类的 IP 地址的弱点:
1、IP 地址空间的利用率有时很低
2、两级 IP 地址不够灵活

针对这种情况提出了新的划分方案，称为 CIDR(Classless Interdomain Routing)：
引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；子网掩码也是一个 32 位的正整数，通常用一串 "0" 来结尾；将 IP 地址和子网掩码进行 "按位与" 操作, 得到的结果就是网络号；网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类无关；

子网掩码可以分离出 IP 地址中的网络地址和主机地址，那为什么要分离呢？因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。如果网络地址相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。

路由

在复杂的网络结构中， 找出一条通往终点的路线；

当 IP 数据包，到达路由器时， 路由器会先查看目的 IP；路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器；依次反复；一直到达目标 IP 地址；

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表；可以使用 route 查看路由表：

路由表的 Destination 是目的网络地址，Genmask 是子网掩码，Gateway 是下一跳地址，Iface 是发送接
口，也就是网卡，Flags 中的 U 标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，G 标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有 G 标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发；

如果要发送的数据包的目的地址是 192.168.45.3

跟第一行的子网掩码做与运算，与第一行的目的网络地址不符
跟第二行的子网掩码做与运算，与第二行的目的网络地址不符
跟第三行的子网掩码做与运算，得到 192.168.45.0，正是第三行的目的网络地址，因此从 eth1 接口发送出去；

如果要发送的数据包的目的地址是 202.10.1.2

依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配；
按缺省路由条目，从 eth34 接口发出去，发往 192.168.10.1 路由器；
由 192.168.10.1 路由器根据它的路由表决定下一跳地址；

ARP 协议

ARP 不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议

ARP 协议的作用：ARP 协议建立了主机 IP 地址和 MAC 地址的映射关系。

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的 IP 地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；不过 ARP 协议只能用于 IPv4，不能够用于 IPv6，IPv6 中可以用 ICMPv6 替代 ARP 发送邻居探索消息！

源主机发出 ARP 请求，询问 IP 地址是 172.20.1.2 的主机的硬件地址是多少，并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播)；
目的主机接收到广播的 ARP 请求，发现其中的 IP 地址与本机相符，则发送一个 ARP 应答数据包给源主机，将自
己的硬件地址填写在应答包中；
每台主机都维护一个 ARP 缓存表，可以用 arp -a 命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为 20 分钟)，如果 20 分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发 ARP 请求来获得目的主机的硬件地址：

这种缓存可以有效减少 ARP 包的发送，反之，接受 ARP 包的主机也可以通过这个 ARP 包把发送方的 MAC 地址缓存起来，从而根据 MAC 地址发送 ARP 响应包给发送端主机，并作为响应，因此在接收主机缓存 MAC 地址也是一种提高效率的方式。

MAC 地址的缓存是有期限的，超过这个期限，缓存的内容将被清除，这使得 MAC 地址与 IP 地址对应关系发生了变化，也依旧能够将 IP 数据报正确的发给目标地址。

ARP 包格式：

硬件类型指链路层网络类型，1 为以太网；

上层协议类型指要转换的地址类型，0x0800 为 IP 地址；

HLEN：MAC 地址的长度 = 6 (字节)；

PLEN：IP 地址的长度 = 4 (字节)；

操作码 ： 该字段为 1 表示 ARP 请求，op 字段为 2 表示 ARP 应答。

IP 地址和 MAC 地址缺一不可

如图所示，主机 A 想要发 IP 数据报给主机 B 的时候必须经过路由器 c，即使主机 A 知道了主机 B 的 MAC 地址，，由于路由器会隔断两个网络，还是无法实现从主机 A 直接发送到主机 B，此时主机 A 必须先把数据报发送给路由器 C 的 MAC 地址 C1：

在以太网上发送 IP 数据包的时候，“下一次要经过那个路由发送数据包” 这一信息非常重要，而这里的“下一个路由器” 就是相应的 MAC 地址。由此看来 IP 地址和 MAC 地址缺一不可，将这两个地址关联起来就形成了 ARP 协议。