数通自学——计算机网络基础知识IP地址、局域网、广域网、NAT、端口映射、子网掩码、网关、IPV4、IPV6

news2024/10/28 5:42:34

计算机网络基础知识IP地址、局域网、广域网、NAT、端口映射、子网掩码、网关、IPV4、IPV6

一、IP地址
- 1、概念引入
- 2、概念
- 3、组成及分类
二、局域网和广域网
- 1、局域网
- 2、广域网
三、NAT与端口映射
四、公网IP、私网IP
五、IPV4与IPV6

一、IP地址

1、概念引入

现在思考一个问题，电脑之前如何通信？如果现在有两台电脑需要进行通信，那么将两台电脑通过一根网线连接即可；如果有三台电脑相互通信，那么就需要三根网线；如果有四台电脑相互通信，那么就需要六根网线；如果有五台电脑相互通信，那么就需要十根网线；如图，在这里插入图片描述

以此类推N台电脑就需要：
在这里插入图片描述
（n!表示n的阶乘，即1至n所有自然数的乘积）

随着接入的设备越多，需要的接口和线材就越多，为了解决这一问题，引入交换机这个概念，交换机作为中转站，将需要通信的电脑全部接在交换机上，通过交换机分发来自不同电脑上的数据，如图。
在这里插入图片描述

以上是我们提到的两种连接方式，第一种连接方式，数据可以从发送主机的不同端口直接到达目标主机；而第二种连接方式，数据发送给交换机后又该发送给谁呢？为了解决这个问题，给电脑设置一个数字虚拟地址。如图，PC1发送数据时带上192.168.1.1，交换机收到数据后就知道是发送给PC5的，而不是发给PC2和PC3,两台电脑就实现了通信。在这里插入图片描述
以上提到的192.168.1.0就是IP地址，简单的说，网络中的IP地址就像我们发送包裹时的收货地址一样。

2、概念

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

3、组成及分类

以上提到的地址是我们常用的IPV4地址，IPV4由32为二进制数组成，为了方便记录，将每8个二进制数分为一组，并转换为十进制，再用点号隔开，将这种方式称为点分十进制。范围可以表示为000.000.000.000-255.255.255.255，使用这种方法理论上可以提供2的32次方（即约42.28亿）个地址，为了方便区分和使用，还对IP进行了分类。

A类地址：一个A类地址由1个网络位和3个主机位组成；范围：1.0.0.1-126.255.255.254；默认子网掩码：255.0.0.0;私有号段：10.0.0.0-10.255.255.255；最大网络数：126个，最大主机数：（2的24次方-2）个，全0和全1的地址不可分配，作为保留地址；应用于大型规模网络。

B类地址：一个B类地址由2个网络位和2个主机位组成；范围：128.1.0.1-191.255.255.254；默认子网掩码：255.255.0.0；私有号段：172.16.0.0-172.31.255.255；最大网络数：（2的14次方-1）个，最大主机数：（2的16次方-2）个；应用于中等规模网络。

C类地址：一个C类地址由3个网络位和1个主机位组成，全球共有2,097,152个C类地址，范围：192.0.1.1-223.255.255.254；默认子网掩码：255.255.255.0；私有号段：192.168.0.0-192.168.255.255；最大网络数：（2的21次方-1）个，最大主机数：（2的8次方-2）个；应用于小型网络。

D类地址：D类地址的第一位为“1110”，地址范围：224.0.0.1-239.255.255.254；网络号取于224~239之间。一般用于多路广播用户。

E类地址：E类地址的第一位为“1111”，全球共有240~255的IP地址段被保留，用于研究和特殊用途。
在这里插入图片描述

二、局域网和广域网

1、局域网

当将一个办公室的5台电脑通过交换机连接到一起时，就形成了小的可以交互数据的网络，就形成了一个局域网，如图。在这里插入图片描述
概念：局域网(LAN)，全称为Local Area Network，指在较小的地理区域内，通过传输介质连接的一组计算机及其外围设备的网络。局域网的传输速度较快，一般在几百Mbps到几Gbps，延迟较低。局域网是一种私有网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，主要用于办公室、学校、研究所或家庭等相对较小的地理范围内。

2、广域网

当局域网与局域网相互连接时，为了方便连接，也需要一台交换机将局域网中的各个交换机相互连结，以此类推，接入网络的局域网越来越多，直到世界上所有上网设备接入进来，这就是一个广域网，如图所示。当然局域网和广域网是根据网络的覆盖范围来区分的，它们是相对而言的。
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概念：广域网（全称为Wide Area Network，缩写为 WAN），又称外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。

三、NAT与端口映射

上文提到，真正能被大众使用的地址只有不到37亿个。而世界上有80多亿人口，且每个人还有好几个上网设备，显然，地址是不够用的（据调查，可供分配的IPV4地址在2011年已经枯竭），只有当返还旧的地址才能进行重新分配，为了解决这一问题引入NAT（网络地址转换，Network Address Translatio）技术，为了方便解释，这里我们要引入路由器、网关的概念。

当一个办公室的五台电脑接到同一个路由器上组成一个局域网，且5个电脑IP地址分别为192.168.0.1-192.168.0.5，路由器接入到广域网的路由地址为1.1.1.1（即路由器为网关，IP地址1.1.1.1）。与此同时在另一个办公室也是同样的配置，五台电脑IP地址分别为192.168.0.1-192.168.0.5，路由器接入到广域网的路由地址为2.2.2.2（（即路由器为网关，IP地址2.2.2.2）。两个办公室中的电脑需要通信时，PC1的数据包发送给路由器AR1，AR1将PC1的IP地址192.168.0.1执行NAT，将地址映射为1.1.1.1，并做好映射表记录（当然PC1,PC2,PC3,PC4,PC5的地址都可以映射为1.1.1.1），数据包再以IP地址1.1.1.1发送给地址2.2.2.2的路由器，这样就实现了办公室五台电脑共用一个IP地址。同上原理，第二个办公室的五台电脑IP地址也可以共用2.2.2.2的路由器IP地址。

那么问题又来了，两个办公室的数据传输通过两个路由器实现，两个办公室的电脑间通信时，路由器怎么知道将这个数据包发送给目标电脑呢？因此，引入端口映射的概念，在不同的电脑IP地址后加入端口号，网关会以不同的端口号与外网交互，然后把这些端口映射给局域网内的各个设备。如图。
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通过以上方法就可以节省很多的IP地址。