计算机原理-网络-一篇文章搞懂，内网和外网到底怎么通信？

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本文原创作者：原理君（cpp软件架构狮）

 

头条号：底层软件架构（cpp软件架构狮）

公众号：技术原理君

对于我们网络开发的人员来说，经常会用到TCP,UDP协议，但是通常情况下，是在局域网内的协议交互通信。可你们有想过吗？如果是涉及到内网和外网的交互呢？也就是说局域网和公网是怎么 交互呢？

假设有两台主机A和B，他们分别处于不同的局域网下，他们的局域网IP都是192.168.1.2。在同一个时刻，他们都访问百度服务器，那作为百度服务器是怎么分别回复这两台主机的呢？或者是服务器怎么区分A和B呢？

公网 IP 和私有 IP 的区别

我们先来了解一下公网IP和私有IP的概念。

公有地址（Public address）：由 Inter NIC（因特网信息中心）负责。这些 IP 地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构，公有 IP 全球唯一，通过它直接访问因特网（直接能上网）。主要有A、B、C、D、E五类地址：

1. A类：地址范围是1.0.0.0 到 127.255.255.255，主要分配 给大量主机而局域网网络数量较少的大型网络；
2. B类：地址范围是128.0.0.0 到191.255.255.255，一般用于国际性大公司和政府机构；
3. C类：地址范围是192.0.0.0 到223.255.255.255，用于一般小公司校园网研究机构等；
4. D类：地址范围是224.0.0.0 到 239.255.255.255，用于特殊用途，又称做广播地址；
5. E类：地址范围是240.0.0.0 到255.255.255.255，暂时保留。

私有地址（Private address）：属于非注册地址，专门为组织机构内部使用，说白了，私有 IP 不能直接上网。主要有A、B、C三类，A类地址范围是10.0.0.0-10.255.255.255 ，B类地址范围是172.16.0.0-172.31.255.255，C类地址范围是192.168.0.0-192.168.255.255。

127.0.0.0 到127.255.255.255 为系统环回地址。

而我们平时通过运营商（主要是电信、移动、联通宽带等）上网，通过家用路由器之后，就会变成私有IP，大家可能会疑问，我们可以上网啊，怎么会是私有 IP 呢？

其实我们不是通过私有IP上网的，是通过公有IP。通俗的讲，运营商有公有IP，但是IPV4下IP资源有限，所以这些IP不能每个人分配单独分配一个IP，所以需要动态给上网的用户。 这个过程有点类似于，我们买了一些笔，然后将这些笔分给全班学生使用，当然运行商动态分配公有IP的过程比这个复杂多了。

所以A和B的IP相同是很正常的一件事情，但是对于百度服务器来说，它并不关心对方的私有IP是什么，它也不知道，它只知道访问它的肯定是公有IP。

那问题来了，还是老问题，既然最终访问百度服务器是公有IP，那A和B私有IP到公有IP的转换怎么完成的呢？当他们同时访问百度服务器的时候，百度服务器如何区分哪个是 A，哪个是 B 呢？

端口映射

在讲原理之前我们先了解一个概念，端口映射？

• 端口映射是将一台主机的内网(LAN)IP地址映射成一个公网(WAN)IP地址，当用户访问提供映射端口主机的某个端口时，服务器将请求转移到本地局域网内部提供这种特定服务的主机；
• 利用端口映射功能还可以将一台外网IP地址机器的多个端口映射到内网不同机器上的不同端口。
• 端口映射功能还可以完成一些特定代理功能，比如代理POP，SMTP，TELNET等协议。理论上可以提供65535(总端口数)-1024(保留端口数)=64511个端口的映射。

思路：既然端口映射可以将一台外网 IP 地址机器多个端口映射到内网中不同机器上的不同端口。那当用户访问外网 IP 的这个端口时，服务器自动将请求映射到对应局域网内部的机器上。

比如，我们在内网中有一台主机，但是外网中的用户是没有办法直接访问该服务器的。于是我们可以在路由器上设置一个端口映射，只要外网用户访问路由器ip的80端口，那么路由器会把自动把流量转到内网主机的80端口上。并且，在路由器上还存在一个Session，当内网服务器返回数据给路由器时，路由器能准确的将消息发送给外网请求用户的主机。在这过程中，路由器充当了一个反向代理的作用，他保护了内网中主机的安全。

我们平时上网的过程就是先经过路由器，然后通过宽带，最终通过运营商的转换最终到web服务器的，返回的数据先到运营商那边，然后再把数据发送到用户的主机上。

我们都知道路由器有两个端口： LAN 口，WAN 口。

WAN：接外部 IP 地址用，通常指的是出口，转发来自内部 LAN 接口的 IP 数据包。

LAN：接内部 IP 地址用，LAN 内部是交换机。我们可以不连接 WAN 口，把路由器当做普通交换机来使用。

下面我们来看看到底怎么通信的。为了便于理解，我们把运营商当做一个 NAT 设备。

为了方便大家理解，我们把 IP 的转化方向反过来分析（准确来说，公网转局域网）。

A 主机IP 是私有 IP（192.168.1.2），该IP是从路由器的 LAN口分配的。暂不讨论是如何获取的，这涉及到自动获取还是手动分配的。

当我们访问百度服务器的时候，经过路由器的 wan口，进行相应的IP、端口转化：192.168.1.2:80 -> 10.221.0.24:8080,所以，从 wan口出去的地址为：10.221.0.24:8080。

通过10.221.0.24:8080能访问外网吗？显然不行，因为还是私有IP。还需要一个步骤：转换为公网IP。

经过运营商，运营商那边会做相应的端口映射（而且是动态端口映射），子网 IP（10.221.0.24:8080）转化为公网 IP（128.0.0.1:9999），通过这个公网 IP 去访问百度服务器。

同理，B 也是一样的过程。通过这样的层层端口映射，最终保证地址（IP + 端口）的唯一性。A 和 B 访问百度服务器，尽管它们的局域网 IP 是一样的，但是最终它们访问百度的地址（IP + 端口）是唯一的，所以，百度服务器回复时，原路返回时能够区分到底给谁回。