网络是如何连接的？
网络是如何连接的？
0、自底向上构建网络
在这篇文章中，将会从“自底向上”的角度去看网络是如何连接的，也就是按照网络发展的顺序来构建的过程。
同时，在下一篇中我们还将从“自顶向下”的视角了解网页在网络中的传输过程，这一视角更贴近我们日常使用网络的顺序。
无论是哪个视角，都难免在构建/推理过程中会带入“上帝视角”，但是没关系，毕竟小北的目的是帮助大家把整个网络的知识串起来。
而不是去从头讨论网络的迭代发展历程，那是教科书和标准文档干的事情。
一、连接基础: 一根网线
回到 2000 年初，那是 PC 游戏的黄金时代，那个年代的同学都有过这样的经历：
宿舍里几个室友，每人一台电脑，想要一起玩《红色警戒》、《魔兽争霸》或者《星际争霸》。
如果你想和室友小王想要来一场红警对战，那么可以直接用一根网线把你们的电脑连起来:
这就是最简单的网络，仅仅由两个节点构成。
补充一下连线方式:
标准的网线（也叫双绞线）有八根不同的颜色线，分为 4 对，当两台电脑直接相连时，需要使用"交叉线"，就像两个人对话，一个人的嘴对应另一个人的耳朵
好了，你们终于可以在游戏里选择 IPX 或 TCP/IP 联机模式开始对战！
这个时候，室友小李也想要加入一起玩，怎么办呢，可以继续用网线把你们之间两两相互连接：
那如果还有其它室友也想继续加入，怎么办呢？
还是用更多的网线两两相连吗？
当 N 台电脑需要互联时，两两相连的方式变得不可行，每增加一台设备，都需要与现有的每台设备建立连接，网线数量呈指数级增长。不仅硬件成本高昂，布线也会变得杂乱无章。
二、无脑转发：集线器
如果能把所有的网线都"揉"在一起，让每台电脑只需要用一根网线接入这个"公共连接点"，不就解决了网线数量暴增的问题了吗？
就像这样:
这个看似简单的想法，就催生了集线器（Hub）的诞生:
有了集线器，N 台电脑只需要 N 根网线，每台设备只占用一个网口。
但是集线器是如何实现把它们所有连接起来的呢？
原因在于，集线器就像一个"复读机" - 当收到任何一台电脑发来的数据时，它会无差别地把这些数据转发给所有连接的设备。
比如电脑 A 发送数据给电脑 B，集线器会把这份数据同时发给电脑B、C、D...，就像在一个房间里大家同时说话一样。
那么 C 和 D 怎么知道这个数据不是发送给自己，而是发给 B 的呢？
这就要说到网络通信中的 MAC 地址了，每个网卡都有一个全球唯一的 MAC 地址，就像每个人的身份证号一样，出厂就写到了设备里。
当电脑 A 发送数据时，会在数据包中标记：
- 发送方 MAC地址: 电脑 A 的地址
- 接收方 MAC 地址: 电脑 B 的地址
虽然集线器把数据发给了所有人，但其他电脑（C、D）收到数据包后会检查接收方 MAC 地址。
发现不是给自己的，就会自动丢弃这个数据包（如果遇到不讲规矩的，也可以不丢弃，这就是局域网窃听）。
这就像在一个房间里，虽然每个人都能听到别人的对话，但知道不是在叫自己就会自动忽略。
集线器是共享型设备，在同一时刻只能有一个节点发送数据，其他节点只能处于监听状态，所以它一般只能支持单工通信，这种同时传输数据时可能会产生冲突的节点的集合我们也叫做冲突域。
处于同一个冲突域的节点只能一个一个发送数据。
总结下集线器特点:
但这种方式存在明显的安全隐患和效率问题：
- 带宽浪费 - 不相关的电脑也会收到数据
- 性能下降 - 所有设备共享带宽，越多设备连接，网络越拥挤
- 安全隐患 - 所有数据对所有设备可见
MAC 地址
简单再介绍一下 MAC 地址:
MAC地址（Media Access Control Address）是网卡的物理地址，48位二进制数，通常用12个十六进制数表示。
- 前24位：组织唯一标识符(OUI)，由IEEE分配给厂商
- 后24位：由厂商自行分配给网卡
全球唯一性：
- IEEE统一管理 OUI 分配
- 制造商负责确保后 24 位不重复
- 每个网卡出厂时烧录到 ROM 中
(PS: 虽然是硬件地址，但可通过软件临时修改，Windows/Linux都支持MAC地址修改，部分网络安全工具可随机生成MAC地址
比如我命令行 ifconfig 查看本机的 MAC 地址为: 80:a9:97:39:ae:27
后面的图解中，为了简单，我会把 MAC 地址只保留 4 个十六进制数，比如 AA-11。
三、交换机：定向转发
那你可能会想，如果有个聪明一点的集线器，能够按照目标 MAC 地址定向的转发数据包就好了！
恭喜你，发明了交换机（Switch）！
交换机通过学习各个端口连接设备的 MAC 地址，构建一个 MAC 地址表，实现了数据的"精准转发"。
当数据包到达时，交换机会查找 MAC 地址表：
- 如果找到目标MAC对应的端口，就只从那个端口转发
- 如果找不到，才会向所有端口广播（这种情况叫网络泛洪）
这种工作方式不仅提高了网络效率，还增强了通信安全性。
每个设备只能收到发给自己的数据包，也就不用担心被别人"偷听"了。
我们知道交换机最重要的就是它那个小本本- MAC 地址表，那么这个地址表是谁去生成的呢？怎么生成的呢？
答案是，动态学习，这其实在网络设备中非常常见，动态学习有利于网络设备随时接入或者退出，自适应。
让我们以一个具体的例子来说明交换机是如何工作的：
- 初始状态： 当交换机刚启动时，它的 MAC 地址表是空的，不知道任何设备的位置。
- 学习过程： 假设电脑 A（MAC: AA-11）通过端口 1 发送数据给电脑 B，虽然这时交换机不知道 B 在哪个端口，但它学到了一条重要信息："啊，MAC地址为 AA-11 的设备在端口 1 上"，交换机会立即记录这条映射关系：
泛洪： 因为不知道电脑 B 的位置，这时交换机会向除了端口 1 以外的所有端口转发这个数据包。这种行为叫做"泛洪"（Flooding）。
持续学习： 当电脑 B（MAC: BB-BB-BB）回复数据时，交换机又学到了新信息："原来 BB-BB-BB 在端口 2"。 MAC 地址表更新为：
- 精准转发： 下次当电脑 A 再发送数据给电脑 B 时，交换机查表就知道："B 在端口 2"，于是只向端口 2 转发数据包。其他端口的设备不会收到这些数据，完美！
相比集线器的"无脑广播"，交换机实现了"精准投递"。
这种精准转发带来了几个重要的好处：
- 节省了带宽
- 提升安全性（不会把数据包泛洪到其它人那里）
当然了，这个 MAC 地址表中的映射关系也会老化（通常是 5 分钟）。如果在这段时间内没有收到某个 MAC 地址的数据包，对应表项就会被删除，这种工作机制使得交换机能够自动适应网络变化，高效地转发数据。
因为交换机能够识别 MAC 地址，根据 MAC 地址做路由，所以我们也叫它 二层交换机，因为对应的 TCP/IP 模型中数据链路层。
好了，到这里寝室里的小帅们终于可以连成一个局域网打游戏了。
但，隔壁寝室小北这时候说他们寝室也要一起玩，但是这个交换机网口只有 5 个，怎么办呢？
小北说我们用两个交换机，把交换机连起来不就行了？这个可行吗？
完全可以！两个交换机完全可以连接在一起形成一个更大的网络，如图所示（为了简化图示，每个交换机连接的电脑 只花了 2 个）：
这种情况下，交换机是如何做到数据传输的呢？
最开始两个交换机的 MAC 地址表都是空的，当电脑 A (MAC: AA-11)要和电脑 B (MAC: BB-22)通信时，整个过程如下:
- 电脑 A 发出数据包，第一个交换机不认识目标 MAC 地址 BB-22，就向所有端口转发，包括连接第二个交换机的端口
- 第二个交换机收到后，也不认识地址 BB-22，继续广播到其它端口
- 此时电脑 B 收到数据后，处理后，再往回 AA-11 发送数据包响应
- 这时两个交换机都学到了:
- Switch 1 知道了AA-11在端口1，CC-33 在连接 Switch 2 的端口
- Switch 2 知道了 BB-22 在端口3，AA-11在连接 Switch 1的端口
这样逐步学习后，两个寝室的同学就能愉快地一起玩游戏了，但是每一个广播包(比如ARP请求)会在整个网络传播，这样能能接收广播数据包的所有设备的集合叫做一个广播域（可以把广播域理解为一个广场，在广场上的人，大声喊话的时候其它人都能听到）。
四、路由器 & IP 地址
我们继续小帅他们的故事，随着游戏越打越好，他们想举办一个校园联机游戏大赛，让不同宿舍楼的同学都能参与。
但问题来了，如何组织这么大规模的设备接入一个网络呢？还是继续用 N 个交换机互相连接吗？
让我们想象一下校园网络的规模：
- 一栋宿舍楼有 500个房间，每个房间平均四个同学-四台电脑，学校有10 栋宿舍楼
这意味着大约 2w 个MAC地址，每个交换机都需要记住这些地址，这带来两个致命问题：
- MAC地址表爆炸，表项太多，查找、更新都受影响
- 这些设备处于一个广播域，广播包会导致整个网络瘫痪（想象一下广场上 2w 个人同时在大声喊话的场景）
所以很自然的想法：
把网络分成多个小组（就像城市分区一样），每个小组内部可以广播，但小组之间要有个"管理员"负责转发消息。
关键是如何设计一个地址系统，让设备既知道自己属于哪个小区，管理员又能据此找到目标小组？
如果继续用交换机连接这些时，问题依然存在 - MAC地址就像身份证号，虽然能唯一标识一个设备，但无法告诉我们这个设备在哪个组。
根本原因在于 MAC 地址是出厂就分配好的，它不会有任何的层级关系，MAC地址是平面的，48位随机数。
就像现实生活 - 身份证号虽然能唯一标识一个人，但不能帮你找到这个人（你可能今天在深圳，明天就去北京了）。
而"深圳市南山区xx街xx号"这样的地址，却能让你一步步定位：先找到深圳，再找到南山区，最后找到具体位置。
我们需要的正是这样一个分层的地址系统。
而这，正是IP地址的设计思路！ IP 地址也具备这样的定位能力:
而那个根据 IP 地址在小组之间转发消息的管理员就是路由器。
IP地址构成：
- IP地址（如192.168.1.11）是32位二进制数，分 4 段显示
- 每段0-255，称为"点分十进制"
在同一个小组，我们一般叫做一个子网：
同子网内的设备可以直接通信
不同子网要通过路由器转发
那么怎么判断是不是在一个子网呢？这就需要提到子网掩码了：
子网掩码也是由 32 位二进制数组成，连续的 1 表示网络部分，连续的 0 表示主机部分。
如 255.255.255.0 转为二进制就是 24个1和 8 个 0，简写为 /24，表示前面 24 位都是网络部分。
判断同网段：
- 将IP地址和子网掩码做"与"运算，结果相同的IP就在同一网段
- 如：192.168.1.11和192.168.1.22都与255.255.255.0运算后得到192.168.1.0
网关：
- 通常是路由器的IP地址，作为子网对外的"门户"
- 不同子网通信时，数据先发给网关
- 比如192.168.1.1常作为默认网关
最初的宿舍网络里，设备只需要 MAC 地址就能通信，就像在一个小区里互相喊名字就行。
但随着网络变大，这种方式不再可行，所以我们引入了 IP 地址来解决这个问题。
但数据包最终还是要通过网线传输，这就需要 MAC 地址。就像寄快递：
- IP 地址相当于城市、街道：决定包裹该送到哪个区域
- MAC 地址相当于收件人身份信息：最后一步实际交付
局域网内设备通信
我们先来看看引入 IP 地址后，是如何在一个局域网内通信的:
(图中为了简化，我们就把交换机去掉了，实际上在局域网内，现代路由器也具备交换机的能力，也能学习 MAC 地址和 端口的映射关系，实际家庭生活中，我们也很少会用到交换机)
假设小北（电脑A）想给小神仙（电脑B）发送一条游戏邀请。
小北的电脑知道小神仙的 IP 地址是192.168.1.22，那它会怎么做呢？
首先，我们说了，同一个子网的设备之间可以直接通信，直接通信的意思就是你拿到想发消息给对方的设备的 MAC 地址，然后封装一个 MAC 数据包即可，MAC 数据包的数据部分其实是一个 IP 数据包（下一层的数据部分包含完整的上一层包的 header 和数据）：
如果不是一个子网，那么只需要拿到网关的 MAC 地址，然后目的 MAC 地址发送给网关路由器，路由器会根据你的目的 IP 帮你转发到其它网络中。
所以整个处理过程如下：
电脑 A 要判断电脑 B 是不是和自己在同一个网络里，它看到自己的IP是192.168.1.11，子网掩码是255.255.255.0，计算后发现："嗯，都是192.168.1开头，我们在同一个子网内，可以直接通信。"
但是要发送数据，光知道 IP 地址是不够的，在同一个子网内，计算机之间要用 MAC 地址通信。
所以电脑 A 想：“我得先知道电脑 B 的 MAC 地址”。于是它在局域网内大喊一声（发送ARP广播）：''谁是192.168.1.22啊？请告诉我你的MAC地址！''
同一个子网的所有电脑都收到了这个广播，但发现叫的不是自己，都默默丢弃了，只有小神仙的电脑 B 回应道："192.168.1.22 是我！我的MAC地址是BB-22。"
电脑 A 收到这个回应后，会把 192.168.1.22-BB-22 这个映射关系记在自己本机缓存中，这个就叫 ARP 缓存。
这个过程就是 ARP 协议的作用 - 通过IP地址找到对应的MAC地址。
有了 MAC 地址后，小北的电脑就可以直接发送数据包了，它把游戏邀请包装成一个特殊的"双层信封"：先在内层信封上写上IP地址"192.168.1.22"（这就是IP头），然后把它放入外层信封，在外层信封上写上"收件人MAC地址：BB-22"（这就是MAC头）。
这样的双层结构保证了数据包既能通过 IP 地址确定目的地，又能通过 MAC 地址在本地网络中准确投递。
路由器(携带交换机功能)看到 MAC 地址，立刻就知道该从哪个端口转发出去，于是数据包就准确送达了小神仙的电脑。
不同子网设备通信
我们刚才举的是同一个子网设备之间通信，现在我们来看看在不同子网之间的设备如何通信。
还是那个例子:
假设小北的电脑A（192.168.1.11）要给小神仙的电脑B（192.168.2.22）发送一个游戏邀请
(PS: 注意此时，他们在不同的子网内，一个是 192.168.1.0/24 一个是 192.168.2.0/24)
首先，电脑 A 要判断目标IP（192.168.2.22）是否在同一子网，它看了下自己的网络信息：
自己的IP是192.168.1.11、对方的 IP 是 192.168.2.22
子网掩码都是255.255.255.0 计算后发现："对方网段是192.168.2.0，而我是192.168.1.0，显然不在同一个子网，需要通过网关转发。"
电脑 A 查看自己的网络设置，发现默认网关 IP 地址是192.168.1.1，但是不知道 MAC 地址，于是：
- 发出 ARP 广播："谁是192.168.1.1？请告诉我你的MAC地址！"
- 路由器 1 收到后回应："192.168.1.1 是我，我的 MAC 地址是 SS-11"
电脑A 收到路由器 1 的回应后，开始准备发送数据包：
IP头：目的地址填写最终目标B的IP（192.168.2.22）
MAC头：目的地址填写网关的MAC地址（SS-11）
路由器1收到数据包后：
查看路由表："192.168.2.0/24这个网段...通过我的接口连接着路由器2"
把旧的 MAC 头换掉，换上一个新的 MAC 头（源 MAC 地址是路由器 1 的 MAC 地址：SS-11，目的地址是路由器 2 的MAC 地址： SS-22 ），然后从连接路由器2的接口转发出去
路由器 1 之所以知道怎么转发数据包，因为它维护一个路由表，至于这个路由表如何创建和维护的，后文会简单说明
路由表示意图：
路由表示意图 路由器2收到数据包后：
- 发现目的IP（192.168.2.22）在自己所在的子网内
- 发出 ARP 广播询问电脑 B 的 MAC 地址
- 得到电脑 B 的回应后，再次将数据包 MAC 地址替换掉（源变为路由器 2，目的变为电脑 B）
- 将数据包转发给电脑B
这就像一封跨城市的信件：
- 你先把信交给本地邮局（路由器1）
- 本地邮局通过邮政系统（路由器间的连接）将信转给目的地的邮局（路由器2）
- 最终目的地的邮局再把信送到收件人手中（电脑B）
在整个过程中，IP头（目的地址）始终保持不变，而 MAC 头（相当于邮递过程中的中转单）每经过一个路由器都会被替换一次。
（PS：以上过程不体现 NAT，如果你不知道 NAT 那就忽略这个 PS）
那么在步骤 4 中，路由器 1 是怎么知道 192.168.2.0/24 这个网段的包都发给路由器 2 的呢？
答案是 路由器 1 维护了一张路由表
路由表的生成和维护有很多路由协议，这里简单说明下路由表的几种形成方式：
- 直连网段自动发现：
- 路由器1知道自己的端口1连接着192.168.1.0/24网段，这是自动学习的 （同一个路由器下所有 LAN 口都是在一个子网（划分 VLAN 除外））
- 路由器2知道自己的端口1连接着192.168.2.0/24网段，这也是自动学习的
- 人工配置（静态路由）：
- 网络管理员手动配置告诉路由器1："要去192.168.2.0/24网段，需要从连接路由器2的接口发送"
- 同样配置路由器2："要去192.168.1.0/24网段，需要从连接路由器1的接口发送"
- 动态路由协议：
- 路由器们会定期互相交流："我这边连接着哪些网段，你那边连接着哪些网段"
- 比如最早期的 RIP 协议，路由器们每 30 秒就会广播自己知道的路由信息
- 现代网络更常用 OSPF、BGP 等更先进的协议，它们会计算出最佳的转发路径
这就像两个邮局之间需要知道对方负责哪些区域的投递一样：
- 要么上级邮政部门明确规定（静态路由）
- 要么邮局之间定期开会交流各自负责的区域（动态路由）
- 每个邮局自然知道自己直接投递的范围（直连网段）
在我们这个简单的两路由器网络中，用静态路由配置就足够了，但在大型网络中，通常会使用动态路由协议，让路由器们自动学习和更新网络拓扑信息。
这个网络还可以继续扩大，形成整个校园网 -> 城域网-> 国家网络 -> 全球互联的网络：
但是最基本的MAC层、IP层的数据包转发最基本的原理就是这样，在这个过程中有几个重要的表和地址，简单总结如下：
- MAC 地址表：
- 存在于交换机中（现代路由器基本替代了交换机这部分功能），记录着MAC地址与交换机端口的对应关系
- 帮助交换机在同一广播域内准确转发数据包
- ARP 表：
- 缓存在每台网络设备中，记录 IP 地址和 MAC 地址的对应关系
- 避免重复发送 ARP 广播请求
- 路由表：
- 存在于路由器中
- 记录网段与出接口的对应关系，指导路由器如何转发跨网段的数据包
- 重要概念：
- MAC地址：设备唯一标志，也是用于同一广播域内设备的物理标识
- IP地址：用于全局范围内设备的逻辑标识（IP 地址是一个逻辑地址）
- 子网掩码：用于划分网段，判断目标 IP 是否在同一子网
- 网关地址：当前网络到其他网络的"桥梁"
无论网络规模如何扩大，都是在这些基本原理上不断扩展：更复杂的路由协议、更多层的网络设备、更智能的转发策略，但底层的数据包转发逻辑始终遵循这些基本规则。
五、传输层协议：UDP & TCP
上面我们使用路由器、交换机、IP 地址、MAC 地址等设备就能构成基本的网络，可以实现主机到主机的数据传输，双方就像一根网线直连一样，完全不需要关注中间的网络节点，但是"这就够了吗？"
并不是。
IP 协议只负责把数据包从一台主机传输到另外一台主机，但是一台电脑上可能运行着多个应用程序（比如游戏、浏览器、聊天软件等），当数据包到达电脑后，应该交给哪个应用程序呢？
一个电脑上运行的部分应用程序如下图：
我们可以引入端口的概念， 用 端口号用来区分不同的应用程序，端口号是一个 0-65535 的整数，比如:
- 80 端口通常用于网页服务
- 21 端口用于FTP服务
- 25 端口用于邮件服务
每个应用程序监听来自不同端口的数据:
这就像一个大楼的门牌号（IP地址）和房间号（端口号）。
UDP：简单但不可靠
有了端口，最简单的传输方式就是：把数据包发给对方主机的指定端口，这就是 UDP 协议的基本工作方式。
除了多了端口号来区分不同应用，它几乎不提供超出 IP 层数据传输能力的服务。
简化的完整 UDP 数据包如下图，在原来的 IP 层数据包的基础上加上源端口和目标端口：
UDP 的特点是：
- 不建立连接，想发就发
- 不保证可靠送达，发出去就不管了
- 不保证按序到达，后发的包可能先到
- 速度快，开销小
就像寄一封普通信件，你把信件投进邮筒就完事了，不用等对方签收，也不知道信件是否成功送达。
TCP：可靠连接
但是有些场合（比如文件传输、网页浏览）我们需要保证数据的可靠性，并且一个字节都不能丢，这时就要用到 TCP 协议。
TCP 会在通信前先建立连接（三次握手），确保双方都准备好了再传输数据。就像打电话前要先确认"喂，能听到吗？"
TCP的特点：
- 建立可靠连接
- 有序列号机制，保证数据按顺序到达
- 有丢包重传机制
- 有流量控制和拥塞控制功能
- 开销较大，速度较慢（只是相较 UDP）
TCP 报文示意图如下，和 UDP 类似，最关键的也是端口号信息，除此以外 TCP 还有很多序列号、确认号这样的控制信息没有在图中画出来:
在这也给大家看一下完整的 TCP 头部字段构成，看着就知道 TCP 协议巨复杂！
TCP 在发送数据前会通过三次握手，确认双方都已经准备好发送和接收数据，三次握手示意图如下：
建立连接之后，双方就可以在这条连接之上互相发送数据了。TCP 协议会像一个尽职的快递员一样，保证数据包按顺序可靠地传输到对方，如果中途丢失还会主动重发，直到确认对方收到为止。
在完成所有数据传输后，双方需要协商关闭连接，这个过程叫做四次挥手。
之所以需要四次挥手，是因为 TCP 的全双工特性，每个方向都需要单独关闭。
这就像两个人结束通话时说："我说完了。" 、"好的，我知道了。"、 "我也说完了。"、"好，那挂了啊。"
TCP 四次挥手示意图如下:
再回到我们打游戏的例子，红警游戏中的实时位置数据使用 UDP 传输，因为实时性比准确性更重要；而游戏存档、聊天消息则使用 TCP，因为这些数据必须准确完整。
就像快递服务，UDP像是快递员骑电动车送快递，追求速度但可能出错；TCP则像押运车运送贵重物品，反复确认保证安全。这两种传输层协议为应用程序提供了不同的服务选择。
TCP VS UDP 应用场景举例:
六、NAT：公网IP不够用了
至此，应用程序已经可以通过 Socket 编程使用 TCP/UDP 来传输自己的数据，整个互联网世界也是基于此构建的。
但是还有一个问题，是我们日常上网非常常见的，所以最后拿出来讲一下。
前面我们讲了如何用 IP 地址在不同网段之间通信，但是还有一个问题：全球IPv4地址已经不够用了。
因为在最初版本的互联网协议（IP 版本 4 或简称 IPv4）中，这些地址长度为 32 位，这意味着总共有 2^32 个（约 40 亿）可能的地址。地球上有超过 40 亿人，其中许多人拥有不止一台设备，因此实际上不可能每台设备都有唯一的地址。
那么怎么让所有人都能正常上网呢？
所以一定需要复用 IP 地址，于是我们划分了三类 IP 地址作为私有 IP 地址（局域网地址）：
这些范围内的 IP 地址，大家家里、公司、学校、云厂商等组织可以随便使用。
最常见的是 C 类地址段，比如家用路由器默认IP一般是192.168.1.1，正是因为大家可以随便使用，所以没有办法根据这些私有 IP 地址定位，他们只能在各自的局域网内保持唯一，无法在全球唯一，所以这些地址只能在局域网内使用，不能在互联网上直接访问。
那么当这些设备想要访问的外网的时候，怎么办呢？
一个很自然的想法是，一个子网的设备对外时共用一个或者多个公网 IP，那么如何实现呢？
端口号允许同一台计算机上的多个应用程序共享一个 IP 地址，那么基于这个扩展一下，也能使用端口号来支持多台计算机共享一个 公网 IP 地址。
而这就是 NAT（Network Address Translation）技术，NAT 允许多台设备共用一个公网IP，就像一个大院子只有一个门牌号，但里面却住着很多家庭。
我们来举个例子说明 NAT 的工作过程：
假设小北用电脑（内网IP：192.168.1.11）访问淘宝网（DNS 解析后 IP 为 203.0.113.1），这个过程中 NAT 是这样工作的：
- 小北的电脑发送数据包到路由器：
- 源IP: 192.168.1.11，源端口: 4567
- 目标IP: 淘宝服务器 203.0.113.1，目标端口: 80
- 路由器收到数据包后，对它进行 NAT 转换：
- 把源IP改成路由器的公网IP（比如：101.202.33.44），路由器可以绑定多个 IP 地址，不同出口对应不同的 IP 地址。
- 修改源端口为一个新端口（比如：6789），在 NAT 表中记录这个映射关系：192.168.1.11:4567 ←→ 101.202.33.44:6789
- 淘宝服务器收到请求后回复数据包：
- 发给路由器的公网IP（101.202.33.44:6789）
- 路由器查 NAT 表，找到对应的私网IP和端口：192.168.1.11:4567
- 把数据包转发给小北的电脑（192.168.1.11:4567）
NAT 技术极大地缓解了 IPv4 地址短缺的问题，就像一个大型小区的安保系统，NAT 既是门卫（控制进出），又是接待处（管理访客），让内部人员能够安全便捷地与外界交流。
虽然这个系统不是完美的，但在当前阶段，它仍是互联网得以正常运转的重要基石。
总结
我们从一根简单的网线开始，到最后构建起了整个互联网，这个过程像搭积木一样，一步步解决着不同的问题：
- 最开始，我们用网线连接两台电脑，让室友之间能一起玩游戏
- 后来用集线器和交换机解决了多人连接的问题，但仅限于小范围内
- 接着引入了路由器和 IP 地址，让不同区域的网络能够互联
- TCP/UDP 协议则确保了数据传输的可靠性和灵活性
- 最后，NAT 技术让有限的公网 IP 地址能够服务更多的设备
这些技术的发展，就像是一个个解决方案，形成了不同的网络层，也对应着网络发展过程中遇到的各种挑战，每一层都在解决特定的问题：
- 物理层解决"如何传输电信号"
- 链路层解决"如何在直连的设备间可靠通信"
- 网络层解决"如何在复杂网络中找到目的地"
- 传输层解决"如何保证数据完整性和应用程序间的通信"
从你敲下网址的那一刻起，DNS 解析、TCP 连接、IP 路由、网卡通信... 数据包就像一封特殊的信件，在这个精密的体系中穿梭，最终准确送达目的地。
这就是互联网的魅力 - 它用优雅的分层结构，让世界上的每一台设备都能相互连接。
而这一切的基础，不过是我们最初架设的那根网线，和想要玩游戏的简单愿望。
从宿舍联机打游戏，到今天的云计算、5G网络、物联网...互联网仍在飞速发展。
但不管技术如何演进，这些基础的网络原理都是基石。