网络--TCP/IP（三）IP协议相关技术

这篇文章我们简要介绍IP协议相关技术，下篇文章我们就会开始介绍这一系列教程的重点--传输层与TCP协议。
这篇文章我们会了解到DNS、ARP、NAT协议，这些协议虽然与TCP没有直接关联，但理解他们有助于巩固基础知识，更好的理解网络工作的原理.

一、 DNS解析

1. 域名
   IP地址是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的名字，这个名字是唯一的，并且是容易记住的。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称的具有分层的名称，比如neu.edu.cn中，neu是主机名，edu是不同层次下的机构名。

2. DNS解析
   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为不容易记住的IP地址。
   域名是分层的，每一层都有自己的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www.ietf.org为例：

DNS解析过程

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

二、 ARP协议（地址解析协议）

在通过以太网发送IP数据包时，需要先封装第三层IP首部（里边包含目标IP地址）、第二层以太网帧首部（里边包含目标MAC地址），但由于发送时只知道目标IP地址，不知道其MAC地址，又不能跨第二、三层，所以需要使用地址解析协议。ARP协议只使用于局域网中。

1. ARP（Address Resolution Protocol）用于根据目标IP地址，定位下一个接收数据包的网络设备的MAC地址。结果是如果目标主机处在同一个数据链路上，可以直接得到目标主机的MAC地址，否则会得到下一个路由器的MAC地址。
2. 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，“我要与目标IP地址进行通信，谁知道它的MAC地址”。
   数据链路上的所有主机都会收到这个消息并检查自己的IP地址，如果与ARP请求中的IP地址一致，就会发送ARP响应包，“我就是，我的MAC地址是xxxx...”。
   下图描述了ARP协议的工作机制：

ARP工作机制

3. 在实际使用过程中，每次向目标主机发送数据都使用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，接下来多次发送的概率非常大，所以这种缓存命中率很高。
   当下一次发送ARP请求或超过缓存时间以后，缓存都会失效，这保证了即使目标IP地址与MAC地址对应关系即使发生了改变，数据包扔能被正确的发送到目标地址。
4. IP地址负责标记发送方和接收方,而MAC地址负责传输过程中的分段传送,所以二者缺一不可。

三、NAT和NAPT技术

1. NAT（Network Address Translator）

NAT是一种将局域网中的私有IP地址转换为全局IP地址的技术。
在连接上路由器的时候，如果检查一下设备的IP地址，会发现是类似于192.168.1.1这样的IP地址。那不同网段中，IP地址都是192.168.1.1的主机该如何通信呢？
下图描述了NAT的工作原理：

NAT工作原理
局域网中IP地址为10.0.0.10的主机向全局IP地址为163.221.120.9的主机发送数据。NAT路由器将数据包IP首部中的源地址修改为自己的全局IP地址。同理，接收数据时，把目标地址202.224.174.37翻译为私有IP地址10.0.0.10。

2. NAPT

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需要和外部通信怎么区分它们呢？这时就要用到NAPT技术了，它和NAT原理上类似，但它可以转换TCP和UDP端口号。
在使用NAPT技术是，不同的内网私有IP被转换为相同的全局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加以区分：

NAPT工作原理

不管是NAT还是NAPT技术，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，收到这个包应答时，转换表会被删除。
具体的TCP和三次握手我们会在下一篇文章中具体讲解。

参考：
TCP/IP（三）：IP协议相关技术