计算机网络第四章笔记（五）

[一、网络地址转换](#一、网络地址转换)

[1.1 私有IPv4地址](#1.1 私有IPv4地址)

[1.2 网络地址转换（NAT）](#1.2 网络地址转换（NAT）)

[1.3 网络地址和端口号转换（NAPT）](#1.3 网络地址和端口号转换（NAPT）)

[二、 IP多播](#二、 IP多播)

[2.1 基本概念](#2.1 基本概念)

[2.2 IPv4多播地址和多播组](#2.2 IPv4多播地址和多播组)

[2.3 局域网IP多播](#2.3 局域网IP多播)

[2.4 因特网IP多播所需协议](#2.4 因特网IP多播所需协议)

标准来源：RFC 1918规定了3个CIDR地址块作为私有IPv4地址
地址范围：
- 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（CIDR：10/8）
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（CIDR：172.16/12）
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（CIDR：192.168/16）
核心特性：
- 仅在私有网络内部有效，不同私有网络可使用相同私有IP
- 因特网上的路由器一律不转发目的地址为私有IP的数据报，需ISP对其拥有的因特网路由器进行配置来实现

核心目的 ：缓解IPv4地址资源紧张，让大量私有IP主机共享少量全球IP访问因特网
实现条件：在私有网络与因特网的连接路由器上安装NAT软件（NAT路由器），且路由器至少拥有1个有效全球IP
工作流程（以主机H访问公网服务器S为例）：
- 内网→公网：H发送数据报（源IP：[192.168.0.1](192.168.0.1)），NAT路由器将其源IP替换为临时全球IP（如[218.75.220.16](218.75.220.16)），并在NAT转换表记录映射关系，再转发到因特网
- 公网→内网：S返回数据报（目的IP：[218.75.220.16](218.75.220.16)），NAT路由器查表，将目的IP替换为H的私有IP（[192.168.0.1](192.168.0.1)），再转发给H
局限性 ：若NAT路由器有n个全球IP，私有网络最多同时支持n台主机接入公网；若NAT路由器所拥有的全球IP数少于主机数则需要轮流使用

核心改进 ：结合IP地址与传输层端口号（TCP/UDP）进行转换，让多个内网主机共享1个全球IP同时通信
工作流程（以主机H1、H2访问公网服务器S为例）：
- 内网→公网：H1发送数据报（源IP：[192.168.0.1](192.168.0.1)，源端口：50000），NAPT路由器将其映射为（全球IP：[218.75.220.16](218.75.220.16)，新端口：60001）；H2发送数据报（源IP：[192.168.0.2](192.168.0.2)，源端口：50000），映射为（全球IP：[218.75.220.16](218.75.220.16)，新端口：60002），并记录到转换表
- 公网→内网：S返回数据报（目的IP：[218.75.220.16](218.75.220.16)，目的端口：60001/60002），NAPT路由器查表，替换为对应的（私有IP+源端口），转发给H1/H2
关键特点：
- 端口号动态分配，解决了基本NAT的IP数量限制
- 对部分网络应用不透明，P2P通信需依赖NAT穿透技术
- 家用路由器通常是NAPT路由器（一般无需路由选择协议）

定义：实现"一对多"通信的技术，相比单播可显著节省网络资源
单播与多播对比：
- 单播：向N个主机发送相同数据，需发送N份数据报
- 多播：向N个主机发送相同数据，只需发送1份数据报，由路由器复制转发到成员所在局域网
实现前提：因特网中的路由器必须支持多播路由选择和多播数据报寻址

地址类型 ：D类地址，前缀固定为1110，剩余28位可变，范围为224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
地址分类：
- 永久多播地址 （保留使用）：如224.0.0.5（OSPF协议）、224.0.0.9（RIP协议）
- 全球范围可用地址 ：需向IANA申请，如224.0.1.0 ~ 238.255.255.255
- 本地管理地址 （类似私有IP）：可自由分配，如239.0.0.0 ~ 239.255.255.255
多播组特性：
- 多播地址仅能作为目的地址，不能作为源地址
- 成员可动态加入/离开，数量和地理位置不受限制，一台主机可属于多个多播组
- 非成员也可向多播组发送数据报
- 多播数据报为"尽最大努力交付"，不保证一定送达所有成员

核心原理 ：利用局域网硬件多播能力，将IPv4多播地址映射为多播MAC地址实现数据交付
映射规则：
- 多播MAC地址前25位固定为01-00-5E-00-00-00，剩余23位取自IPv4多播地址的低23位
- 由于IPv4多播地址有28位可变，而MAC地址仅23位可变，因此映射关系不唯一（1个MAC地址对应32个IPv4多播地址）
接收判断流程：
- 先通过多播MAC地址判断是否接受帧，若目的MAC为所在硬件多播组则接受
- 再提取帧中封装的IPv4多播地址，若为所在IP多播组则接受数据报，否则丢弃