访问互联网时发生了什么？

前言

最近在整理网络抓包分析相关的资料，同时又在阅读《网络是怎样连接的》。本篇文章从网络协议对设备连网的过程和发送数据的过程进行探讨。
在对网络进行分析时，会使用wireshark进行抓包分析。

在讨论本篇文章时，假设读者对网络协议有一定的基础，对TCP/IP四层协议有一定的了解，也大致了解网络通讯抓包。

设备联网

在一个局域网内，在网络层，通过IP确定来确定数据包发往哪里，在同一个局域网内，IP地址必须唯一。而在数据链路层，则通过MAC地址保证设备的唯一。

DHCP

加入设备刚联网没有设置静态IP时，需要通过DHCP协议向DHCP服务器获取到一个可用的IP地址。

DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码。

在一个局域网内可以有一个或多个DHCP服务器。比如日常家里使用路由器上网，路由器内置了DHCP服务，当手机、平板、笔记本等设备联网时就会向路由器获取一个可用的动态IP。在企业的局域网中，则通常需要部署一个DHCP服务器或多个DHCP服务器形成一个DHCP服务集群用于维护局域网内的动态IP。

DHCP获取动态IP有四个阶段：发现阶段（DHCP Discover）、提供阶段（DHCP Offer）、选择阶段（DHCP Request）和确认阶段（DHCP ACK）。

1. 由于客户端首次连接互联网，并不知道DHCP服务器的地址，因此客户端首先需要向局域网内发送一条DHCP Disconver广播。

当DHCP服务器收到该请求时，就会处理请求，非DHCP服务器收到该请求不会处理，直接丢弃。DHCP Discover网络数据包如下图所示。

此时并没有IP地址，所以原始IP地址为0.0.0.0，客户端的MAC地址是95:57:02:4a:09:01。每个DHCP处理阶段都会有一个会话ID，用于标记是哪次的DHCP请求。

2. 当DHCP服务器收到请求时，会从可用的IP池中获取一个IP，通过DHCP Offer请求返回。

由于客户端一个网卡只能设置一个IP。因此即使有多个DHCP服务都返回了响应，客户端也仅会获取第一个收到的IP进行设置。

如上图所示，DHCP Offer向MAC地址为95:57:02:4a:09:01的客户端返回的IP地址为192.168.137.60。

3. 由于同一个局域网内可能有多个DHCP服务器，因此，为了告诉其他的DHCP服务器，被使用的新的IP，客户端会通过DHCP Request请求进行广播告诉所有人当前客户端选择使用的IP地址。

这样如果这个IP地址是当前DHCP服务分配的，该服务器就会返回一个确认包，如果不是当前DHCP服务分配的，它就会忽略该请求。

在以前家用路由器多个路由器进行桥接时，若都提供DHCP服务功能，则分配的IP范围不能重合，否则可能导致分配个多个设备同样的IP，导致设备无法上网。实际路由器应该可以识别将DHCP Request的IP也设置为被租赁状态，避免该IP再次被使用。不确定现在新的路由器设备是否还会有该问题。

4. DHCP服务确认返回

在返回确认的同时，还会告知客户端IP可使用的期限。当到达期限时，这个IP就会被DHCP回收，客户端需要重新向DHCP服务器申请一个新的IP。

最后当设备设置IP时，就会发送一个ARP探针请求的广播，发送该请求时，客户端还没有设置IP，，若局域网已有设备使用这个IP，就会返回MAC地址。

发送数据

ARP

现在我们的设备已经有了IP地址，可以访问局域网了，只要路由器有连外网，就可以将设备的请求转发到互联网，也就是说我们的设备已经可以连接互联网了。

当我们需要访问互联网时，比如要访问connectivitycheck.platform.hicloud.com，我们首先要获取到该地址的IP。通过DNS协议可以将域名转换为实际IP。但是在讲解DNS之前，设备必须限访问DNS服务器，而此时设备刚联网获取到IP，并不知道DNS服务器的地址，解析来ARP协议就发挥作用了。

ARP协议是根据IP获取MAC地址的一个TCP/IP协议。有些人可能会奇怪，为什么我们有了IP地址，还需要MAC地址呢？因为在通常情况下我们发送数据到目标IP时，IP是确定的（除非NAT地址转换），但是我们通过路由器需要转发到下个路由器时，则需要通过修改MAC地址为下一跳的路由器的MAC地址实现数据转发。因此在网络通讯的时候光有IP地址还不够，我们需要获取到设备的MAC地址才行。

通过ARP协议发送广播询问对应IP的MAC地址，所有设备收到会校验当前的IP，若与ARP请求的IP一致，则会将自己的MAC地址响应给对端。若不一致就会丢弃请求。当请求者获取到ARP响应后就会把对应的IP和MAC地址保存到自己的ARP缓存种，下次请求IP时就不需要再查询MAC地址，直接可以从缓存中获取。

当客户端获取到了DNS的MAC地址时，就可以向DNS发送请求查询域名对应的IP了。

DNS

DNS是域名系统（Domain Name System）的缩写。DNS协议通过DNS请求查询指定域名的地址或别名等信息。DNS服务器如果存在该域名，则返回查询到的信息，否则从上一级DNS服务器获取信息，仍不存在继续向上以及DNS服务器获取，直到到达根域名服务器。当DNS服务器从上一级DNS服务器获取到指定域名的查询信息时，DNS服务器会将其缓存起来。

当通过DNS协议查询到域名对应IP时，请求就可以通过该IP发送到对端。若目标IP不在当前同一子网内，因此会通过路由器或交换机等设备进行转发，本篇文章不对这个过程进行具体的探讨。

参考文献

1. 《网络是怎样连接的》
2. 《Wireshark数据包分析实战详解》

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出处：https://www.cnblogs.com/Jack-Blog/p/13423355.html
作者：杰哥很忙
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