TCP/IP之IP协议相关技术

本篇继续介绍IP协议相关的内容，主要介绍IP的辅助技术，包括DNS、ARP、ICMP、ICMPv6、DHCP、NAT等。

DNS

• DNS的产生：TCP/IP网络中要求每一个互连的计算机都具有其唯一的IP地址，并基于这个IP地址进行通信，然而，我们平时需要访问网站（比如谷歌）的时候，输入的是类似于www.google.com的网址，而不是直接输入一个IP地址（当然，你如果记得IP的话，也可以直接输入IP）。DNS就是将网址转换成具体的IP地址的。
  互联网最初给每一台计计算机添加一个叫主机识别码的东西，即为每台计算机赋以唯一的主机名，在通信时直接使用主机名称而不需要输入IP。为此，系统必须通过一个hosts的数据库文件，自动将主机名转成具体的IP地址。随着网络规模的不断扩大，接入的计算机个数不断增加，这种处理方式就变得不可行。在此背景下，就产生了一个可以有效管理主机名和IP地址之间对应关系的系统，这就是DNS系统。在这个系统中，主机的管理机构可以对数据进行变更和设定。

主机名与IP地址之间的转换

• 域名：理解DNS规范，就必须了解什么是域名。域名是指为了识别主机名称和组织机构名称的一种具有分层的名称。例如，kusa.ac,jp,kusa表示某大学的域名，ac表示高等教育的相关机构，最后的jp表示日本，在使用域名的时候，可以在每个主机名后面追加上组织机构的域名。DNS的分层结构如下图所示。

域名的分层

• 域名服务器：域名服务器是指管理域名的主机和相应的软件，他可以管理所在分层的域的相关信息。各个域的分层上都设有各自的域名服务器。各层域名服务器都了解该层以下分层中所有域名服务器的IP地址，因此，他们从根域名服务器开始呈树状结构相互连接。所有域名服务器都了解根域名服务器的IP地址。所以若从根开始按照顺序追踪，可以访问世界上所有域名服务器的地址。

域名服务器

• DNS查询：如下图所示，解析器向域名服务器进行查询，接收这个查询请求的域名服务器首先会在自己的数据库进行查询，如果有该域名所对应的IP地址则返回，没有则域名服务器再向上一层根域名服务器进行查询。因此，如图所示，从根开始对这棵树按照顺序进行遍历，直到找到指定的域名服务器，并由这个域名服务器返回想要的数据。解析器和域名服务器会将最新了解到的信息暂时保存在缓存里面。

DNS查询

ARP

在数据链路通信时，有必要了解买个IP地址对应的MAC地址。ARP就是解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不再同一个链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。ARP只适用于IPv4，IPv6中使用ICMPv6代替ARP发送邻居探索消息。

• ARP工作机制：ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的。如下图所示，主机A向主机B发送IP包，主机A为了获得主机B的MAC地址，通过广播发送一个ARP请求包，这个包中包含了想要了解其MAC地址的主机IP地址，ARP请求包会被同一链路上所有的主机或路由器进行解析。如果ARP请求包中的目标IP地址与自己的IP地址一致，那么这个节点就将自己的MAC地址塞入ARP响应包返回给主机A。

ARP工作机制

ARP包格式

• RARP：是从ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议。例如，将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时用到。

RARP

ICMP

• ICMP主要功能：确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程当中IP包被废弃的具体原因，改善网络设置等。在IP通信中，如果某个IP包因为某种原因未能到达目标地址，那么这个具体的原因将由ICMP负责通知。ICMP的消息大致分为两类：一类是通知出错原因的错误消息，一类是用于诊断的查询消息。

ICMP无法到达的消息

• 主要的ICMP消息：
  • ICMP目标不可达消息：IP路由器无法将IP数据包发送给目标地址时，会给发送端主机返回一个目标不可达的ICMP消息，并在这个消息中显示不可达的具体原因，包括主机不可达，MTU探索等。
• ICMP重定向消息：如果路由器发现发送端主机使用了次优的路径发送数据，那么它会返回一个ICMP重定向的消息给主机，这个消息中包含了最合适的路由信息和源数据。
• ICMP超时消息：IP包中有一个TTL（生命周期），他的值随着每经过一次路由器就会减一，直到减到0时该IP包就会被丢弃，此时，IP路由器将会发生一个ICMP超时的消息给发送端主机，并通知该包已被丢弃。
• ICMP回送消息：用于通信主机和路由器之间，判断所发送的数据包是否已经成功到达对端的一种消息，可以向对端主机发送回送请求的消息，也可以接收对端主机发送回来的回送应答信息。网络上的ping命令就是利用这个消息使实现的。

ICMP消息类型

-ICMPv6：在IPv6中，从IP地址定位MAC的协议从ARP换成ICMP的邻居探索消息。

DHCP

DHCP是为了实现自动设置IP地址、统一管理ID地址分配的功能的。DHCP的工作机制如下图所示。为了检查所要分配的IP地址是否可用，DCHP服务器和DHCP客户端必须具有以下功能：

• DCHP服务器：在分配IP地址之前发送ICMP回送请求包，确认没有返回应答；
• DHCP客户端：针对从DHCP那里获得的IP地址发送ARP请求包，确认没有返回应答。

DHCP工作机制

NAT

NAT是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。除了转换IP地址外，还出现了可以转换TCP、UDP端口号的NAPT技术，由此可以实现用一个全局IP地址与多个主机的通信。NAT实际上是为正在面临地址枯竭的IPv4而开发的技术。

NAT技术

IP隧道

一般情况下，紧接着IP首部的是TCP或者UDP的首部，然而，现在应用当中，会出现IP首部的后面还是IP首部或者IP首部的后面是IPv6的首部的情况，这种在网络层的首部后面追加网络层首部的通信方法就叫做IP隧道。比如：A网络时IPv6，B网络时IPV6，位于AB中间的C网络是IPv4，此时，A与B无法进行直接通信，就必须采用IP隧道这种技术。

IP隧道

IP任播

想象以下，报警电话110与消防电话119等系统，当人们拨打110或者119时，其接收电话并不只有一个，而是可以拨打到一个区域管辖范围内的所有公安或者消防部门。这种机制的实现，在互联网上就是IP任播。
IP任播是指为那些提供同一种服务的服务器配置同一个IP地址，并与最近的服务器进行通信的一种方法。

IP任播