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【网络基础知识3】 --- IP协议相关

【网络基础知识3】 --- IP协议相关

作者: 茗涙 | 来源:发表于2017-09-21 15:44 被阅读14次

    这篇文章会介绍DNS、ARP、NAT协议,这些内容虽然与 TCP 没有直接关联,但理解它们的原理有助于巩固基础知识,更好的理解网络的工作原理。

    DNS 解析

    IP地址用于识别通信双方的地址,但它是一串长数字,不方便记忆,人们希望主机有自己自己的名字,这个名字是唯一的,而且容易记住。于是,诞生了“域名”的概念。域名是一种为了识别主机名称和机构名的具有分层的名称,比如在域名neu.edu.cn
    中,neu是主机名,edu和cn是不同层次下的机构名。
    域名和 IP 地址都可以唯一对应一台主机,DNS 协议的作用就是将自身具有意义的域名转换成不容易记住的 IP 地址
    域名是分层的,每层都有自己的 DNS 服务器用于处理 DNS 解析的请求。这样的好处在于每层的服务器不用关注过多的信息,它只要知道自己这一层下的域名服务器信息即可。以解析域名:www.ietf.org为例:

    DNS解析过程

    根服务器其实并不知道www.ietf.org
    的 IP 地址,但是它知道itef.org
    域名服务器的地址,所以它把这条查询请求转发给itef.org域名服务器。DNS请求被逐层下发,直到找到对应的 IP 地址为止。

    ARP 协议

    ARP 协议(Address Resolution Protocol)用于通过目标 IP 地址,定位下一个接收数据包的网络设备的 MAC 地址。如果目标主机处在同一个数据链路上,那么可以直接得到目标主机的 MAC 地址,否则会得到下一条路由器的 MAC 地址。
    ARP 协议的工作原理可以分为两部分:ARP 请求和 ARP 响应。 首先,源主机会通过广播发送一个 ARP 请求包:“我要与 IP 地址为xxx的主机通话,谁知道它的 MAC地址?”。
    数据链路上的所有主机都会收到这条消息并检查自己的 IP 地址,如果与 ARP 请求包中的 IP 地址一致,主机就会发送 ARP 响应包:“我就是 IP 地址为xxx的主机,我的 MAC 地址是:xxxx”。
    下图表示了 ARP 协议的工作机制:


    ARP机制

    在实际的使用过程中,每次往目标主机发送数据都要使用 ARP 是很低效的,通常的做法是把获取到的 MAC 地址缓存一段时间。一般来说,一旦源主机向目标地址发送一个数据包,接下来继续发送多次的概率非常大,因此这种缓存非常容易命中。
    当下一次发送 ARP 请求或超过一定时间后,缓存都会失效,这保证了即使 MAC 地址与 IP 地址的对应关系发生了变化,数据包依然能够被正确的发往目标地址。
    再次强调一下,MAC 和 IP 地址虽然看上去功能类似(都是用于唯一区分主机),但是两者缺一不可。如果只有 IP 地址,虽然可以跳过 ARP,直接在数据链路上发一个广播,但是这仅适用于通信双方处于同一个数据链路下的情况。如果双方处于不同的数据链路,数据报无法穿透中间的路由器。
    如果全世界只用 MAC 地址,那么请参考交换机的自学过程,可以想象这个过程会带来庞大的,不必要的流量。
    正因为 MAC 和 IP 地址缺一不可,所以才产生了 ARP 这样的协议将两者关联起来。

    NAT 和 NAPT 技术

    NAT (Network Address Translator) 是一种用于将局域网中的私有地址转换成全局 IP 地址的技术。
    在连接上无线路由器的时候,如果检查一下设备的 IP 地址,也许你会发现是类似于192.168.1.1
    这样的局域网 IP 地址。那不同网段中,IP 地址都是192.168.1.1
    的主机改如何通信呢?
    下图描绘了 NAT 的工作原理:
    局域网中 IP 地址为10.0.0.10
    的主机向全局 IP 地址163.221.120.9
    发送数据。NAT 路由器将数据包的源地址修改成自己的全局 IP 地址:202.244.174.37
    。同理,接收数据时,路由器把目标地址202.244.174.37
    翻译成内网地址:10.0.0.10

    NAT工作原理

    路由器只有一个对外的全局 IP 地址,如果有多个内网主机都向外部通讯怎么办呢?这时就要使用 NAPT 技术,它和 NAT 从原理上类似,但它可以转换 TCP 和 UDP 端口号。
    使用 NAPT 技术时,不同的内网 IP 被转换成同一个公共 IP 地址,也就是路由器对外显示的全局 IP 地址,但是被附加不同的端口号以示区分:


    NAPT工作原理

    不管是 NAT 还是 NAPT,都需要路由器内部维护一张自动生成的地址转换表。以 TCP 为例,建立 TCP 连接首次握手的 SYN 包发出时会生成这个表,关闭连接时会发出 FIN 包,收到这个包的应答时转换表被删除。
    如果暂时不了解 TCP 协议和三次握手也没有关系,下一篇文章将会有详细的讲解。
    参考文章

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