脑残式网络编程入门(六)：什么是公网IP和内网IP？NAT转换又是什么鬼？

本文引用了“帅地”发表于公众号苦逼的码农的技术分享。

1、引言

搞网络通信应用开发的程序员，可能会经常听到外网IP（即互联网IP地址）和内网IP（即局域网IP地址），但他们的区别是什么？又有什么关系呢？另外，内行都知道，提到外网IP和内网IP就不得不提NAT路由转换这种东西，那这又是什么鬼？本文就来简单讲讲这些到底都是怎么回事。



另外，以下是与本文内相关知识点有关联的文章，可详细阅读之：

• 《P2P 技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
• 《P2P 技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
• 《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
• 《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
• 《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
• 《脑残式网络编程入门(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？》
  

2、系列文章

本文是系列文章中的第6篇，本系列大纲如下：

• 《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
• 《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
• 《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
• 《脑残式网络编程入门(四)：快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)》
• 《脑残式网络编程入门(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？》
• 《脑残式网络编程入门(六)：什么是公网IP和内网IP？NAT转换又是什么鬼？》（本文）
• 《脑残式网络编程入门(七)：面视必备，史上最通俗计算机网络分层详解》
• 《脑残式网络编程入门(八)：你真的了解127.0.0.1和0.0.0.0的区别？》
• 《脑残式网络编程入门(九)：面试必考，史上最通俗大小端字节序详解》
  

3、每台电脑都必须要一个公网IP吗？

答案：不是。

我们都知道，IPv4中的IP地址的数量是有限的（所以现在都在搞IPv6嘛），每次把一部分地址分配出去，那么就意味着能够用来分配的IP地址就更少了，而且随着现在手机，电脑等的快速发展，如果每个手机或者电脑都要求一个IP地址，那么显然IP地址是不够用的。

为了解决这个问题，我们可以采取这样的策略：例如对于一个公司来说，每个公司都会有一个属于自己公司的内网（也可以称之为局域网）。

内网（学名应叫局域网（Local Area Network，LAN））是在一个局部的地理范围内，一般可以是是几米内（比如家庭内网），也可以是方圆几千米以内（比如一个大学内网），将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。



内网主要作用有：

• 1）共享传输信道：简单地理解就是不需要每台电脑一个外网IP地址；
• 2）传输速率高：内网之间的电脑因为没有外网网络拓扑的复杂性，所以互相通信的网络可以很快，比如从一个台电脑向另一台电脑复制一个几G的文件可能只需要数十秒时间。
• 3）误码率低：因为通信距离很近，所以误码率很低，换句话说就是网络很稳定（老一点的程序员都知道，读大学的时候同一个宿舍内网联网玩C/S游戏，几乎不会遇到断网或卡顿的事情，除非有人下毛片或者把网络给拔了，哈哈）。
  

4、公司的内网是如何实现内网IP地址分配和管理的？

假如我们给这个公司A分配了一个IP=192.168.1.1。我们把这个IP作为这个公司内网的网关吧。



在公司A的内网里面有3台电脑，如果这三台电脑要上网的话，我们需要给他分配一个IP，那么就像上一节提到的：我们一定需要去申请3个IP地址来使用吗？

答否。我们不一定需要去申请3个IP的，在我们这个内网里，我们可以指定自己的规则，例如，我们可以给这三台电脑随便分配三个IP(请注意，这三个IP不是去申请的，而且我自己随意给它分配的)。分别分配电脑A = 192.168.1.2   电脑B = 192.168.1.3 电脑C = 192.168.1.4。

而这个规则可以由我们的内网网关来管理，就像下面这样：

5、NAT技术：实现内网电脑访问外网的能力

假如电脑A想要访问百度，百度的IP我们假设为：172.168.30.3：


我们都知道，电脑A的IP是我们虚构的，实际上可能并不存在这样一个IP，如果用电脑A的IP去访问百度，那肯定行不通。

我们也知道，由于百度和电脑A不在一个局域网内，所以A要访问百度，那么必须得经过网关。而网关的这个IP地址，是真实存在的，是可以访问百度的。

为了让 A 可以访问百度，那么我们可以采取这样的方法：让网关去帮助 A 访问，然后百度把结果传递给网关，而网关再把结果传递给 A，这样不就可以解决了？



不过电脑A、B、C都可能拜托网关去帮忙访问百度，而百度返回的结果 的目的IP都是网关的IP=192.168.1.1。那么网关该如何进行区分这结果是A的、B的还是C的呢？

我们去访问百度的时候，不是需要指定一个端口吗？只要我们把 A的IP + 端口  映射成  网关的IP+端口，不就可以唯一确定身份了？

例如A用端口60去访问百度，网关把   A的IP+端口60    映射成     网关的IP+端口80 不就可以了？



百度把结果返回给网关的80端口之后，网关再通过映射表，就可以把结果返回给 A的60端口 了。



如果B也是用60端口去访问百度的话，也是一样，可以把它映射到90端口。

这种方法地址的映射转换，我们也称之为网络地址转换，英文为 Network Address Translation，简称NAT。

而像A、B、C这样的IP地址我们也称之为内网IP，即内网IP；而像网关，百度这样的IP我们称之为外网IP（即互联网公网IP）。

所以，一个典型的内网访问公网的原理，就像下图这样就可以实现了：


现在知道外网IP和内网IP了吧？

6、本文小结

为了解决IP地址短缺，技术专家们发明了内网技术，而内网技术的理论支撑就是NAT技术，所以搞网络通信的程序员非常有必要对NAT技术有一个深入的理解。

如果你想详细了解NAT路由转换技术，不防从下面几篇文章开始：

• 《P2P 技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
• 《P2P 技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
• 《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
• 《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
  

几点需要注意的地方：

• 1）对于全球IP，显然每个IP都是唯一的，而对于私有IP，同一个局域网内，也得是唯一的，但在两个不同的局域网中，是可以有相同的私有IP的；
• 2）局域网内主机之间的通信，是不需要进行地址转换的，而如果需要访问外网，才需要进行地址转换。
  

实际上，我们也可以把这种地址转换称之为一种代理。网关就相当于一个代理，把局域网内的主机的一些信息都给隐藏了起来。就像本内里所描述的那样，百度并不知道是主机A访问它，他只知道是网关访问了它。

附录：更多网络编程方面的文章

[1] 网络编程基础资料：
《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
《高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型》
《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
《不为人知的网络编程(八)：从数据传输层深度解密HTTP》
《不为人知的网络编程(九)：理论联系实际，全方位深入理解DNS》
《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》
《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
《技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》
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[2] NIO异步网络编程资料：
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有收获

学习了

引用：老衲 发表于 2022-03-31 16:38
通俗易懂，站长属于细分行业里面的专精特新。

好文章就多看点，回头就有找老板涨薪的底气了

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写的不错

终于看到NAT的文章啦

我擦，搞了这么久，原来我特玛对路由器理解的不对