NAT技术和链路层概述

NAT技术和链路层概述

文章目录

• NAT技术和链路层概述
• • 一、前言
  • 二、回顾和导入
  • 三、因特网的公网和私网
  • • [3.1 公网和私网](#3.1 公网和私网)
    • [3.2 NAT技术](#3.2 NAT技术)
    • [3.3 因特网的接入方式](#3.3 因特网的接入方式)
    • • [3.3.1 电话线入户](#3.3.1 电话线入户)
      • [3.3.2 光纤入户](#3.3.2 光纤入户)
  • 四、计算机网络的链路层
  • • [4.1 数据链路层概述](#4.1 数据链路层概述)
    • • [4.1.1 定义](#4.1.1 定义)
      • [4.1.2 链路协议](#4.1.2 链路协议)
    • [4.2 数据链路层的三个问题](#4.2 数据链路层的三个问题)
    • • [4.2.1 封装成帧](#4.2.1 封装成帧)
      • [4.2.2 透明传输](#4.2.2 透明传输)
      • [4.2.3 差错检测](#4.2.3 差错检测)
  • 五、小结

一、前言

本篇将开启链路层的学习啦~

二、回顾和导入

IP：网络号 + 主机号

交换机 ：适用于同一个网络
路由器：适用于异构网络之间的互联

互联网 ：无公网私网之分
因特网 ：建立在互联网的基础上发展起来的

将网络地址分成私网IP 和公网IP
因特网的网络设备 ：边缘网络设备 和骨干网设备 （典型的就是路由器）

因特网在骨干网上增加了一个限制：路由器不允许转发私网IP

这是因特网和互联网之间一个很大的不同

三、因特网的公网和私网

3.1 公网和私网

• 公网（public）

  • Internet上路由器中只有到达公网的路由表，没有到达私网的路由表
  • 公网IP由因特网信息中心（Internet Network Information Centre, Inter NIC）同一分配管理
  • ISP需要向Inter NIC申请公网IP

• 私网（private）

  • 主要用于局域网

  • A类：10.0.0.0/8，1个A类网络

  • B类：172.16.0.0/16~172.31.0.0/16，16个B类网络

  • C类：192.168.0.0/24~192.168.255.0/24，256个C类网络

    192.168开头的就是C类网络

3.2 NAT技术

• 私网IP访问Internet需要进行NAT转换为公网IP
  • NAT（Network Address Translation，网络地址转换）
  • 这一步可以由路由器来完成
• NAT特点
  • 可以节约公网IP资源
  • 会隐藏内部真实IP
• NAT分类
  • 静态转换，手动配置NAT映射表
  • 动态转换，定义外部地址池，动态随机转换，一对一转换
  • PAT（Port Address Translation），多对一转换
    • 采用端口多路复用技术

NAT本质就是一个服务，可以实现网络地址转换

举个例子~

A、B、C是一个局域网（192.168.1.x），D、E、F是另一个局域网（195.33.44.x），这两个局域网之间有很多路由器，便于两个局域网之间的数据传输。

src：192.168.1.3（A）

dest：195.33.44.3（D）

私网的数据包在骨干网上是不会转的，于是src的网址通过NAT服务，进行了一个网络地址的映射（192.168.1.3 - - - > 61.3.5.6公网IP），于是可以进行传输了，到最后一个路由器时，再进行一次映射（61.3.5.6 - - - > 195.33.44.3），这样目的地址就收到数据包了。接着，目的地址会回给源地址一个数据包，进行同样的地址映射。

但是这个时候就会出现一个问题。如果是B（192.168.1.4）向D传送数据，那么进行NAT服务时会转换为什么呢？转成61.3.5.6，这样就会出现地址映射混乱的，不可取，因此需要"新鲜的血液"------映射成61.3.5.7。如果这样做的话，那么岂不是局域网中有多少机器，就要转成多少个公网IP吗？可是公网IP没有那么多。

因此现在多采用PAT技术，家用路由器多带有这个服务。

PAT技术到底是怎样做的呢？

P指的是port（端口）

src：192.168.1.3:6655（QQ） 61.3.5.6:81

192.168.1.3:7788（上网） 61.3.5.6:82

dest：195.33.44.3

192.168.1.4:6655 - - - > 61.3.5.6:85

由此也可以看出一个事情：我们向目的地址发送数据包，目的地址看到的是NAT映射后的网络地址，不能识别最初的IP，那这样我们访问什么服务，别人不就看不到我们的IP，但是我们知道对方的IP吗？理论上是这样的，但是别人想查的话，也是能够查到的。

3.3 因特网的接入方式

3.3.1 电话线入户

• 平时所说的ADSL电话拨号上网，非对称数字用户线路，提供上、下行不对称的传输带宽
• 需要提供猫（Modem），调制解调器，进行数字信号 和模拟信号的转换

3.3.2 光纤入户

解调方式变了而已，本质是一样的

四、计算机网络的链路层

4.1 数据链路层概述

4.1.1 定义

链路（link）是指一个节点到相邻节点的一段物理线路 （有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点。

集线器本身物理上是直接相连的，因此可以说是一条线路；路由器的线路和集线器的线路完全不同。

数据链路（Data Link）是基于链路 的。当在一条链路上传送数据 时，除需要链路本身，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

4.1.2 链路协议

不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的

• 广播信道：CSMA/CD协议（比如同轴电缆、集线器等组成的网络）

• 点对点信道：PPP协议（比如两个路由器之间的信道）

  

  如上图，只有IP，没有MAC地址，因此路由器之间不会有广播

计算机中的网络适配器（俗称网卡）和其他相应的软件驱动程序就实现了这些协议。一般的网路适配器都包含了物理层和数据链路层这两层的功能。

网卡也是个芯片，CPU会将数据丢到网卡对应的缓存区，激活网卡，网卡利用内部的协议，将寄存器中的数据转发过去。

4.2 数据链路层的三个问题

4.2.1 封装成帧

帧（Fram）的数据部分，就是网路层传递下来的数据包（IP数据包，Packet）

数据在链路层上的传输无非就是一长串的0和1

数据：IP头 + 传输层头 + 应用层头 + 应用层的数据

往物理层传输：物理层仅规定了电气规范

而数据链路层则是规范了一系列的协议将一长串的0和1进行划分，到底哪里是IP头，哪里是传输层头等以及开始和结束的头。

帧的长度也是有限制的，如果帧长度过长，一旦出错，会带来一定的损失，每个协议定义了一个重要概念------MTU

最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）

• 每一种数据链路层协议 都规定了所能传送的帧数据长度上限
• 以太网的MTU为1500字节（1500指的是帧的数据部分长度，不是整个帧的长度）

如果长度仍然过大，就会拆包。当然太小也不行啦~

帧太小，那么传输速度过快，会导致监听不到。以太网规定的最小的帧是46

类型是非常重要的一个成分，规定了数据包丢给怎样的服务（HTTP、QICQ等）

FCS的4个字节，实际是用于校验的部分

4.2.2 透明传输

如何保证链路层上层数据和最终收到的数据一模一样呢？

透明传输是指数据链路层对上层交付下来的协议数据单元PDU没有任何限制，就好像链路层不存在一样

• 面向字节是的物理链路使用字节传输的方法实现透明传输

ASCII码分为两类：可视化符号和非可视化符号（控制符号，如：\n\r等），ESC-也有一个值，也是个数字，EOT和SOH和ESC一样，都是看不见，但是确实是一个明确的数字。

普通数据和控制符号（EOT和SOH）表示一样的数据怎么办呢？如何判断普通数据和控制符号？

做法就是字节填充。如图。

ESC就像是充当一个"\"的作用，从而把后面的数据当作普通数据，而不再是控制符号了。如果ESC也重复了呢？

做法就是像C语言那个样子"\"和"\ \"一样，"\ \"表示真正的反斜线，而"\"是转义字符

• 面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输

为了防止冲突，每5个1后面都补0，即使后面有0

4.2.3 差错检测

• 奇偶校验

  奇校验：数据 + 校验位 1的个数必须是奇数（现在几乎不用奇校验）

  1010111001一共6个1，需要补1位1：10101110011

  如果是原本为奇数个1，就补一位0

• CRC循环冗余校验

  下次我们来详细探讨~

五、小结

主要重心在于网络层，传输层等，这里的链路层部分作为了解就好