能在家学会的网络技术（三）：探索“路由”

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本篇我们将会学习以下概念：
IP 地址、子网掩码、网关
以前，“路由器”是和“交换机”“集线器”“网桥”等等名词，共同存在于"网络技术"这个不为人知的世界中的。当初为了搞明白这些词是啥意思，可是非常不容易的。然而，现在“路由器”已经成为京东、淘宝上的一个常见搜索的产品名字了。可是，你知道为啥那个屁股上插了几根线的玩意儿，叫“路由器”而不是其他什么名字吗？跟着下面的步骤操作一下，你就知道啥叫做“路由”了。
根据前面的文章可以知道，在互联网上每个电脑（或者设备），都需要有一个 IP 地址（实际上你可以拥有多个 IP 地址，只要对应的网卡能用的上）；有了这个 IP 地址，才能通过互联网互相通信。所以，我们可以用以下命令显示当前的 windows 电脑的 IP 地址信息——使用 cmd.exe 打开命令行窗口，输入指令： 
ipconfig
然后你可能会得到一堆字符输出，其中会有一些类似如下图的显示：

这里面显示了本电脑的 IP 地址为 192.168.1.27，这里显示的 IPv4 和 IPv6 是 IP 地址的两个不同的版本，暂时我们可以只看 IPv4。除了 IP 地址以外，还有两个奇怪的参数：子网掩码、默认网关。——我们马上可以做一个实验，来动手研究他们的含义。
我们现在输入命令行：
ping 192.168.1.1
上面的 192.168.1.1 你可以根据你电脑的实际情况，改成上面你所看到“默认网关”的具体 IP 地址。

我们可以看到有一些输出，表示 IP 为 192.168.1.1（或者是你的默认网关的 IP）的电脑，给本电脑的 ping 返回了数据。（这些数据每个占 32 字节，一共发了 4 个数据包）这表示本电脑 192.168.1.27 到 192.168.1.1 是能连通的。这个工具之前我们测试 www.lua.org 网站服务器的时候，也以类似的方法用过。这个默认网关一般来说，就是你家里面的路由器的 IP 地址，那个小小的盒子，也可以算是一台联网的电脑，具有自己的 IP 地址。
以前老式的 ADSL 拨号上网情况下，我们并没有一个自带 IP 的路由器，而是通过一个 Modem 调制解调器连接互联网，那个情况下，默认网关 IP 指向的则是存放于电信运营商提供的一个设备。
 
然后我们来修改一下自己的 IP 地址，为了避免不同 windows 版本的 GUI 界面的差异。我使用命令行进行修改，请以管理员身份重新打开 cmd.exe 窗口：

然后输入以下命令。注意输入之后可能会让你的电脑断网，所以最好保留一下上面你看到的 IP 地址的内容，完成实验后重新设置回来。
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netsh interface ip set address "以太网" source=static addr=192.168.2.27 mask=255.255.255.0 gateway=192.168.1.1
这个命令，其中 "以太网" 这个字符，是对应之前 IP 地址输出窗口中的“适配器”部分的（也就是你的网卡在 windows 上配置的名字，现在电脑往往会有两个以上的网卡，包括 WiFi 网卡和有线网卡，还有的会有蓝牙网卡），如果你的适配器叫其他名字，请修改成对应的名字。

而 addr=192.168.2.27 中，是把原来的 192.168.1.27 的第三段数字改成不是 1 的。并且注意 mask 一定要是 255.255.255.0 这个数值。这个命令的含义，就是把“以太网”这个网卡（或者叫“网络适配器”）的 IP 地址 配置成 192.168.2.27，并且 子网掩码 参数改成 255.255.255.0。
当你执行完上面这个命令，你应该会发现：电脑断网了！。断网了咱也先不要着急，我们还得继续实验，在命令行窗口中继续输入以下命令：
ping 192.168.1.1
你会看到以下返回，表示刚才还能连通的网关服务器，现在已经连不通了！

等下我们再解释，为啥改了一下 IP 地址就连不通原来还能连上的电脑。现在我们先尝试恢复网络，可以在同一个命令窗口运行命令：
netsh interface ip set address "以太网" source=dhcp
上面这个命令的作用，就是把 IP 地址从"手工设置"，改成"自动获取"。如果你的电脑运行这行代码后还是不能上网，可以参考上面改 IP 的命令，把 IP 地址的第三段改为原来的值，并且修改 mask 参数为原来子网掩码的值，以及修改 gateway 参数为原来的“默认网关”的值。
下面我们来解释一下，为什么改了 IP 地址的其中一段，就会导致原来能联通的网络，变得连不通呢？首先，我们需要了解一下 IP 地址的组成：IPv4 地址一般看起来是由四个数字，通过三个小数点连接起来的。实际上，IPv4 的地址只是一个 32 位二进制长度（bit）的整数，其十进制的取值范围是 0~4294967295。互联网上的所有设备（手机、电脑、游戏机等等）都是用的一个数字编号，来代表自己的地址。我们写成 xxx.xxx.xxx.xxx 的形式，基本是为了避免太长的一个数字给记错了而已。
我们知道在现实世界中，如果我们要向一个地址写一封信，或者发一个快递，一般都是需要写省、市、区、街道、门牌。具体发送快递的时候，物流公司把需要把目标地址，分成不同的一段段空间，先找空间，再找逐步细化空间，最后发到具体的地址上。但如果好像互联网上的设备，如果只有一个数字作为具体地址，就算这个地址不会重复，那又如何才能一步步的找到最后的目标呢？
答案就藏在 IP 地址的另外两个参数里：子网掩码 (netmask)、默认网关 (gateway)。
当我们要发送一个数据包到另外一个 IP 地址的机器上（譬如上面实验中的 ping 命令），我们是知道自己的 IP 地址，以及目标的 IP 地址的。操作系统会根据子网掩码，来判断是否目标 IP 地址的机器，是否是和当前电脑在同一个“子网”中。
如果是在同一个子网中，就会让底层网卡尝试直接连同目标机器，在常见的“以太网”（所谓局域网）中，这个尝试可能是一种数据广播，也可能是通过专用网络设备“交换机”来转发数据。
如果操作系统认为目标地址不是和自己在一个子网中，就会把数据发给配置中的“默认网关”的机器，请它帮忙转发这个数据。
在上面的实验中，我有意让目标 IP 和本机的 IP 地址处于不同的“子网”中，而且默认网关也不起做（因为不在同一个子网中），所以 ping 的结果就是超时，表示无法连同。
那么，操作系统是如何判断，一个目标地址是否和本机处于同一个“子网”中的呢？这个时候就需要“子网掩码”的功能了。在我们的实验中，子网掩码是 255.255.255.0，如果把这个地址，以 IP 地址的方式改成二进制，就会是 11111111 11111111 11111111 00000000 这样一个数字，然后我们用这个子网掩码的二进制数对 IP 地址的二进制数，进行“与”运算，就能得到“子网网段”的地址值。这里的“与”运算，其实就是对应位掩码是 1 的，就保留下来；是 0 的，就变成 0。

子网掩码并不一定需要是 255 和 0 作为组成部分的，它可以是任何数字。只要拿这个数字和 IP地址按二进制位进行“与”运算，就能得到子网的网络地址。根据上面的实验，我们可以知道发起数据的电脑和接收数据的电脑的 IP 地址，经过计算各自的子网地址是：
发起方 IP 192.168.2.27，经过 255.255.255.0 计算后，结果是 192.168.2.0
接收方 IP 192.168.1.1，经过 255.255.255.0 计算后，结果是 192.168.1.0
上面这两个子网地址并不一致，所以操作系统判断：本机和目标机器不处于同一个子网内，需要通过网关转发数据。而网关刚好也配置的是 192.168.1.1 这个不在同一个子网内的机器，所以数据只能是没有回应。一旦我们把本机的地址，改成了让操作系统认为，是和目标机器同一个机器的子网内，我们就又能 ping 通了。
我们既然知道了，在同一个子网内，数据是根据子网掩码来判断和传输的，那么不在同一个子网内的数据，又是如何传递的呢？其实过程是一样的，只是不在一个子网内的数据，会先发给同一个子网内的“默认网关”，这个网关设备负责转发到另外一个子网去（也就是上级网络）。“网关”提供的这种服务，称为“路由”服务。这个过程有点像我们送快递：
先判断收件人和发件人是不是在同一条街道的（通过判断子网地址），如果是的话，快递小哥就直接给你送过去。
如果不是一条街道的，快递小哥会把包裹带到自己的快递站（默认网关），然后由那里的工作人员，根据地址上写的“区”地址，来决定要发给哪个快递站（某个子网的网关）。
如果一个快递站（网关）发现收到了一个从其他街道发来的包裹，而且地址是本街道的（子网地址一致），就会想办法派人送上门。
为了直观的展现这个过程，我们还是可以用命令行工具进行测试：
tracert -dR -4 www.baidu.com

tracert 这个软件，就是记录和显示数据包如何到达目的 IP 的一个工具。从输出我们看到，目标 www.baidu.com 的 IP 是 183.2.172.185，经过了 15 次转发，最终到达了这个 IP 地址。而第一次转发，经过的正是默认网关 192.168.1.1，而第二次转发的网关地址 100.69.0.1，这个 IP 地址通常是路由器的 WAN 的网关，也就是“更上一级”子网网关的地址。后面经过的每一条记录，都可以理解为经过一个“快递站”（网关）的地址。

上图是我的路由器管理界面，上面记录 WAN 的地址，可以看到都是以 100.69. 开头，很可能其子网掩码是 255.255.0.0，从而和 100.69.0.1 处于同一个子网（计算得到子网地址都是 100.69.0.0）
每个网关之间的数据转发规则，往往不是好像我们家里的路由器那么简单：不是一个子网的，全部发给上级网关——而是有一个“路由表”来决定数据包的转发规则的——这方面有很多细节，是一个专门的课题。但我们现在，只需要知道，全世界的所有设备，就是通过这样一次次的转发，最终连接到一起的。
本篇文字的末尾，我们接触到了新的概念: WAN，下一篇，我们会从路由器的配置着手，开始了解更多互联网的知识。