腦殘式網路程式設計入門(六)：什麼是公網IP和內網IP？NAT轉換又是什麼鬼？
本文引用了“帥地”發表於公眾號苦逼的碼農的技術分享。
1、引言
搞網路通訊應用開發的程式設計師，可能會經常聽到外網IP（即網際網路IP地址）和內網IP（即區域網IP地址），但他們的區別是什麼？又有什麼關係呢？另外，內行都知道，提到外網IP和內網IP就不得不提NAT路由轉換這種東西，那這雙是什麼鬼？本文就來簡單講講這些到底都是怎麼回事。
另外，以下是與本文內相關知識點有關聯的文章，可詳細閱讀之：
《P2P 技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
《P2P 技術詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解》
》《網路程式設計懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》
學習交流：
- 即時通訊開發交流3群：185926912[推薦]
- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM》
（本文同步釋出於：http://www.52im.net/thread-2082-1-1.html）
2、系列文章
本文是系列文章中的第6篇，本系列大綱如下：
《
腦殘式網路程式設計入門(一)：跟著動畫來學TCP三次握手和四次揮手》（本文）《腦殘式網路程式設計入門(二)：我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什麼？》
《腦殘式網路程式設計入門(三)：HTTP協議必知必會的一些知識》
《腦殘式網路程式設計入門(四)：快速理解HTTP/2的伺服器推送(Server Push)》
3、每臺電腦都必須要一個公網IP嗎？
答案：不是。
我們都知道，IPv4中的IP地址的數量是有限的（所以現在都在搞IPv6嘛），每次把一部分地址分配出去，那麼就意味著能夠用來分配的IP地址就更少了，而且隨著現在手機，電腦等的快速發展，如果每個手機或者電腦都要求一個IP地址，那麼顯然IP地址是不夠用的。
為了解決這個問題，我們可以採取這樣的策略：例如對於一個公司來說，每個公司都會有一個屬於自己公司的內網（也可以稱之為區域網）。
內網（學名應叫區域網（Local Area Network，LAN））是在一個區域性的地理範圍內，一般可以是是幾米內（比如家庭內網），也可以是方圓幾千米以內（比如一個大學內網），將各種計算機、外部裝置和資料庫等互相聯接起來組成的計算機通訊網。
內網主要作用有：
1）共享傳輸通道：簡單地理解就是不需要每臺電腦一個外網IP地址；
2）傳輸速率高：內網之間的電腦因為沒有外網網路拓撲的複雜性，所以互相通訊的網路可以很快，比如從一個臺電腦向另一臺電腦複製一個幾G的檔案可能只需要數十秒時間。
3）誤位元速率低：因為通訊距離很近，所以誤位元速率很低，換句話說就是網路很穩定（老一點的程式設計師都知道，讀大學的時候同一個宿舍內網聯網玩C/S遊戲，幾乎不會遇到斷網或卡頓的事情，除非有人下毛片或者把網路給拔了，哈哈）。
4、公司的內網是如何實現內網IP地址分配和管理的？
假如我們給這個公司A分配了一個IP=192.168.1.1。我們把這個IP作為這個公司內網的閘道器吧。
在公司A的內網裡面有3臺電腦，如果這三臺電腦要上網的話，我們需要給他分配一個IP，那麼就像上一節提到的：我們一定需要去申請3個IP地址來使用嗎？
答否。我們不一定需要去申請3個IP的，在我們這個內網裡，我們可以指定自己的規則，例如，我們可以給這三臺電腦隨便分配三個IP(請注意，這三個IP不是去申請的，而且我自己隨意給它分配的)。分別分配電腦A = 192.168.1.2 電腦B = 192.168.1.3 電腦C = 192.168.1.4。
而這個規則可以由我們的內網閘道器來管理，就像下面這樣：
5、NAT技術：實現內網電腦訪問外網的能力
假如電腦A想要訪問百度，百度的IP我們假設為：172.168.30.3：
我們都知道，電腦A的IP是我們虛構的，實際上可能並不存在這樣一個IP，如果用電腦A的IP去訪問百度，那肯定行不通。
我們也知道，由於百度和電腦A不在一個區域網內，所以A要訪問百度，那麼必須得經過閘道器。而閘道器的這個IP地址，是真實存在的，是可以訪問百度的。
為了讓 A 可以訪問百度，那麼我們可以採取這樣的方法：讓閘道器去幫助 A 訪問，然後百度把結果傳遞給閘道器，而閘道器再把結果傳遞給 A，這樣不就可以解決了？
不過電腦A、B、C都可能拜託閘道器去幫忙訪問百度，而百度返回的結果 的目的IP都是閘道器的IP=192.168.1.1。那麼閘道器該如何進行區分這結果是A的、B的還是C的呢？
我們去訪問百度的時候，不是需要指定一個埠嗎？只要我們把 A的IP + 埠 對映成 閘道器的IP+埠，不就可以唯一確定身份了？
例如A用埠60去訪問百度，閘道器把 A的IP+埠60 對映成 閘道器的IP+埠80 不就可以了？
百度把結果返回給閘道器的80埠之後，閘道器再通過對映表，就可以把結果返回給 A的60埠 了。
如果B也是用60埠去訪問百度的話，也是一樣，可以把它對映到90埠。
這種方法地址的對映轉換，我們也稱之為網路地址轉換，英文為 Network Address Translation，簡稱NAT。
而像A、B、C這樣的IP地址我們也稱之為內網IP，即內網IP；而像閘道器，百度這樣的IP我們稱之為外網IP（即網際網路公網IP）。
所以，一個典型的內網訪問公網的原理，就像下圖這樣就可以實現了：
現在知道外網IP和內網IP了吧？
6、本文小結
為了解決IP地址短缺，技術專家們發明了內網技術，而內網技術的理論支撐就是NAT技術，所以搞網路通訊的程式設計師非常有必要對NAT技術有一個深入的理解。
如果你想詳細瞭解NAT路由轉換技術，不防從下面幾篇文章開始：
《P2P 技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
幾點需要注意的地方：
1）對於全球IP，顯然每個IP都是唯一的，而對於私有IP，同一個區域網內，也得是唯一的，但在兩個不同的區域網中，是可以有相同的私有IP的；
2）區域網內主機之間的通訊，是不需要進行地址轉換的，而如果需要訪問外網，才需要進行地址轉換。
實際上，我們也可以把這種地址轉換稱之為一種代理。閘道器就相當於一個代理，把區域網內的主機的一些資訊都給隱藏了起來。就像本內裡所描述的那樣，百度並不知道是主機A訪問它，他只知道是閘道器訪問了它。
附錄：更多網路程式設計方面的文章
[1] 網路程式設計基礎資料：
《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：使用者資料報協議》
《技術往事：改變世界的TCP/IP協議（珍貴多圖、手機慎點）》
《通俗易懂-深入理解TCP協議（下）：RTT、滑動視窗、擁塞處理》
《理論聯絡實際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》
《P2P技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
《P2P技術詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解》
《P2P技術詳解(三)：P2P技術之STUN、TURN、ICE詳解》
《高效能網路程式設計(一)：單臺伺服器併發TCP連線數到底可以有多少》
《高效能網路程式設計(二)：上一個10年，著名的C10K併發連線問題》
《高效能網路程式設計(三)：下一個10年，是時候考慮C10M併發問題了》
《高效能網路程式設計(四)：從C10K到C10M高效能網路應用的理論探索》
《高效能網路程式設計(五)：一文讀懂高效能網路程式設計中的I/O模型》
《高效能網路程式設計(六)：一文讀懂高效能網路程式設計中的執行緒模型》
《不為人知的網路程式設計(一)：淺析TCP協議中的疑難雜症(上篇)》
《不為人知的網路程式設計(二)：淺析TCP協議中的疑難雜症(下篇)》
《不為人知的網路程式設計(三)：關閉TCP連線時為什麼會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
《不為人知的網路程式設計(四)：深入研究分析TCP的異常關閉》
《不為人知的網路程式設計(六)：深入地理解UDP協議並用好它》
《不為人知的網路程式設計(七)：如何讓不可靠的UDP變的可靠？》
《網路程式設計懶人入門(一)：快速理解網路通訊協議（上篇）》
《網路程式設計懶人入門(二)：快速理解網路通訊協議（下篇）》
《網路程式設計懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異》
《網路程式設計懶人入門(五)：快速理解為什麼說UDP有時比TCP更有優勢》
《網路程式設計懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》
《網路程式設計懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協議》
《網路程式設計懶人入門(八)：手把手教你寫基於TCP的Socket長連線》
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[2] NIO非同步網路程式設計資料：
《Java新一代網路程式設計模型AIO原理及Linux系統AIO介紹》
《開源NIO框架八卦——到底是先有MINA還是先有Netty?》
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《NIO框架入門(三)：iOS與MINA2、Netty4的跨平臺UDP雙向通訊實戰》
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《Netty 4.x學習（二）：Channel和Pipeline詳解》
《Apache Mina框架高階篇（一）：IoFilter詳解》
《Apache Mina框架高階篇（二）：IoHandler詳解》
《Apache MINA2.0 開發指南（中文版）[附件下載]》
《解決MINA資料傳輸中TCP的粘包、缺包問題（有原始碼）》
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