【网络基础知识3】 --- IP协议相关

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