【网络篇】第十八篇——IP协议相关技术
目录
DNS
DNS背景
域名的层级关系
域名解析过程
使用dig工具分析DNS过程
ARP
DHCP
NAT
NAT IP转换过程
NAPT
NAT技术的缺陷
如何解决NAT潜在问题
ICMP
ICMP功能
ICMP协议格式
ping命令
traceroute命令
IGMP
- DNS 域名解析
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ARP 与 RARP 协议
-
DHCP 动态获取 IP 地址NAT 网络地址转换IGMP 因特网组管理协
DNS
DNS背景
TCP/IP中通过IP地址和端口号的方式，来确定网络中一个主机上的一个程序。但IP地址是一长串数字，并不便于人们记忆，于是人们发明了一种叫做主机名的东西，并用hosts文件夹来描述主机名和IP地址之间的对应关系。
最初，这个hosts文件是由互联网信息中心（SRI-NIC）来管理的。
- 如果一个新计算机要接入网络，或者某个计算机IP变更，都需要到信息中心申请变更hosts文件。
- 其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网。
- 当用户通过域名访问互联网服务时，会先通过域名在本地的hosts文件中找到其对应的IP地址，然后再用这个IP地址去访问对应的服务。
但这样太麻烦了，于是产生了DNS系统。
- 由一个组织的系统管理机构，维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系。
- 如果新计算机要接入网络，或者某个计算机IP变更，就需要将对应信息注册到数据库中。
- 当用户通过域名访问互联网服务时，会自动查询DNS服务器，由DNS服务器检索数据库，得到对应的IP地址。
至今，我们的计算机上仍然保留了hosts文件，这个hosts文件当中一般存储的是主机名与IP地址之间的映射，用户也可以在hosts文件中自主添加域名和IP映射关系，在域名解析的过程中会优先查找hosts文件的内容。
通过cat /etc/hosts可以查看hosts文件当中的内容。
域名的层级关系
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根 DNS 服务器
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顶级域 DNS 服务器（ com ）权威 DNS 服务器（ server.com ）
因此，客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 DNS 服务器，然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器
域名解析过程
DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似，只指路不带路。
使用dig工具分析DNS过程
我们可以使用dig工具来查看域名解析的过程，例如查看百度域名www.baidu.com的解析过程。
dig工具的分析结果如下:
说明:
- 开头位置是dig工具的版本号。
- 第二部分是服务器返回的详情，其中status参数为NOERROR表示查询成功。
- QUESTION SECTION表示待查询的域名。
- ANSWER SECTION表示查询的结果，首先
www.baidu.com被查询成了www.a.shifen.com，而最终www.a.shifen.com被查询成了两个具体的IP地址。 - 最下面是一些结果统计，包含查询时间和DNS服务器的地址等。
ARP
那么 ARP 又是如何知道对方 MAC 地址的呢？
简单地说，ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应两种类型的包确定 MAC 地址的。
- 主机会通过广播发送 ARP 请求，这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址。
-
当同个链路中的所有设备收到 ARP 请求时，会去拆开 ARP 请求包里的内容，如果 ARP 请求包中 的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致，那么这个设备就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包 返回给主机。
RARP 协议你知道是什么吗？
ARP 协议是已知 IP 地址求 MAC 地址，那 RARP 协议正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。例如将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时就经常会用得到。
- 该设备会发送一条「我的 MAC 地址是XXXX，请告诉我，我的IP地址应该是什么」的请求信息。
-
RARP 服务器接到这个消息后返回「 MAC 地址为 XXXX 的设备， IP 地址为 XXXX 」的信息给这个设备
DHCP
这 4 个步骤：
如果租约的 DHCP IP 地址快期后，客户端会向服务器发送 DHCP 请求报文
-
服务器如果同意继续租用，则用 DHCP ACK 报文进行应答，客户端就会延长租期。
-
服务器如果不同意继续租用，则用 DHCP NACK 报文，客户端就要停止使用租约的 IP 地址。
可以发现，DHCP 交互中，全程都是使用 UDP 广播通信。
咦，用的是广播，那如果 DHCP 服务器和客户端不是在同一个局域网内，路由器又不会转发广播包，那不是每个网络都要配一个 DHCP 服务器？
- DHCP 客户端会向 DHCP 中继代理发送 DHCP 请求包，而 DHCP 中继代理在收到这个广播包以后，再以单播的形式发给 DHCP 服务器
-
服务器端收到该包以后再向 DHCP 中继代理返回应答，并由 DHCP 中继代理将此包广播给DHCP 客户端 。
NAT
IPv4协议中, IP地址数量不充足的问题；
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能;
- NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
- 很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;
- 全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的;
- 一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP).
- 路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
- 不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是子网之间的IP地址就可以重复了.
- 每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级, 最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了.
- 子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换).
NAT IP转换过程
电脑产生http报文，向下交给传输层TCP协议。TCP封装时，源端口在49152~65535间随机选择一个，如60128，目的端口为80。
TCP封装后，交给网络层IP协议，IP封装源地址为内网电脑的私网地址192.168.1.10，目的地址为公网服务器的地址98.76.54.32，协议号为6。
链路层的封装和前面文章所述一样，这里我们省略。这个报文发到NAT设备后，NAT设备将源地址修改为12.34.56.78，做好记录“内网地址192.168.1.10映射到外网地址12.34.56.78”，然后将报文发到公网。
公网根据报文中的目的地址98.76.54.32，将报文准确送达服务器。
服务器返回的信息，数据是这样封装的：
源和目的端口号、IP地址互换位置，公网会根据目的地址12.34.56.78，把报文送达NAT设备。NAT根据记录“内网地址192.168.1.10映射到外网地址12.34.56.78”，把目的地址12.34.56.78换回192.168.1.10，然后根据内网地址192.168.1.10把报文送达电脑。
但这样的转换方式并不妥当，因为一个内网地址需要对应转换为一个外网地址，内网电脑数量多就会消耗大量外网地址，并没有起到节省地址的作用。
因此，我们所使用的NAT，叫做NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换）
NAPT
NAT只转换IP封装中的IP地址，而NAPT则把传输层的端口号和IP地址一起转换，可以实现一个公网地址的复用。
假设内网有两台电脑，地址分别为192.168.1.10和192.168.1.20，NAT设备地址和服务器地址和上例相同。假设两台电脑同时访问外网服务器，电脑A发出的报文封装是：
电脑B发出的报文封装是:
两个数据报文到达NAT设备后，NAT设备做个记录：
然后，NAT把电脑A的报文修改为：
而电脑B的报文也被NAT修改为：
可以看到，NAT把两台内网电脑发出去的报文转换后，仅传输层的源端口号不同，IP的封装完全相同。这样一来，就可以实现同一个公网地址被不同内网电脑重复使用，只需通过端口号区别开就可以。外网返回的数据报文回到NAT设备后，NAT根据之前记录的信息再转换回内网地址和内网端口号，即可把报文送达不同的内网电脑。
谈谈路由器
路由器是工作在网络层的一个设备，负载将数据包从一个网络转发到另一个网络，但不能狭义的认为路由器只能工作在网络层。
- NAT路由器在进行数据转发时，不仅有能力替换数据包的源和目的IP地址，而且在必要的情况下还可能会替换数据包的源和目的端口号，而端口号实际是传输层的概念。
- 为了对IP地址进行动态管理，大部分路由器都带有DHCP功能，而DHCP实际是应用层的一个协议。
因此现在的路由器其实并不仅仅提供网络层相关的服务，网络协议栈中的各层路由器可能都有涉及。
NAT技术的缺陷
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外部无法主动与 NAT 内部服务器建立连接，因为 NAPT 转换表没有转换记录。
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转换表的生成与转换操作都会产生性能开销。通信过程中，如果 NAT 路由器重启了，所有的 TCP 连接都将被重置
如何解决NAT潜在问题
1.是改用 IPv6
IPv6 可用范围非常大，以至于每台设备都可以配置一个公有 IP 地址，就不搞那么多花里胡哨的地址转 换了，但是 IPv6 普及速度还需要一些时间。
ICMP
ICMP协议的定位
在TCP/IP四层模型中，网络协议栈自顶向下分为应用层、传输层、网络层和数据链路层。
其中应用层最典型的协议有HTTP、HTTPS和DNS等，传输层最典型的协议有TCP和UDP，网络层最典型的协议就是IP，数据链路层最典型的协议就是MAC帧协议，但实际网络层还有两种协议叫做ICMP和IGMP。
ICMP、IGMP和IP协议虽然都属于网络层的协议，但ICMP协议和IGMP协议属于IP的上层协议。
- 也就是说，IP的上层协议不一定就直接是传输层的协议，IP的上层协议有可能也属于网络层的协议，但就是位于IP的上层。
- 与之类似的，数据链路层当中的ARP协议和RARP协议，这两个协议虽然与MAC帧协议都属于数据链路层，但这两个协议属于MAC帧的上层协议。
ICMP功能
ICMP的主要功能包括：
- 确认IP包是否成功到达目标地址。
- 通知在发送过程中IP包丢弃的原因。
- ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情况下，需要使用ICMPv6。
举个例子
如上图例子，主机 A 向主机 B 发送了数据包，由于某种原因，途中的路由器 2 未能发现主机 B 的存在，这时，路由器 2 就会向主机 A 发送一个 ICMP 目标不可达数据包，说明发往主机 B 的包未能成功。
ICMP 的这种通知消息会使用 IP 进行发送 。
ICMP协议格式
ICMP协议格式如下：
ICMP大概分为两类报文。
- 一类是通知出错原因的。
- 一类是用于诊断查询的。
ICMP包常见类型如下：
| 类型 | 内容 |
| 0 | 回送应答（Echo Reply） |
| 3 | 目标不可达（Destination Unreachable） |
| 4 | 原点抑制（Source Quench） |
| 5 | 重定向或改变路由（Redirect） |
| 8 | 回送请求（Echo Request） |
| 9 | 路由器公告（Router Advertisement） |
| 10 | 路由器请求（Router Solicitation） |
| 11 | 超时（Time Exceeded） |
| 17 | 地址子网请求（Address Mask Request） |
| 18 | 地址子网应答（Address Mask Reply） |
ping命令
ping www.baidu.com命令，测试本地主机与百度服务器之间的通信信道是否正常。
- 注意，此处ping的是百度的域名，该域名会由DNS解析成IP地址。
- ping命令不仅能验证网络的连通性，同时也会统计响应时间和TTL（IP包中的Time To Live，生存时间）。
- ping命令会先发送一个ICMP Echo Request给对端。
- 对端接收到之后，会返回一个ICMP Echo Reply。
一个值得注意的坑
telnet对应的端口号是23，ssh对应的端口号是22，那ping对应的端口号是多少？
这是问问题的人设的一个圈套，ping命令是基于网络层的ICMP协议，而端口号是属于传输层的内容，因此ICMP协议根本就不关心端口号这样的信息。
因此，ping命令实际是绕过了传输层的，在Linux当中实际也有绕过传输层的一套网络编程接口，叫做原生套接字。
traceroute命令
traceroute命令也是基于ICMP协议实现的，traceroute命令可以遍历数据包传送到目标主机所经过的所有路由器。
例如，使用traceroute www.baidu.com命令，遍历数据包传送到百度服务器所经过的所有路由器。
原理简述：
- traceroute命令底层实际是通过增加存活时间（TTL）值来实现的。
- 因为每当数据包经过一个路由器，其TTL值就会减1，当TTL值减为0时对应路由设备就会将该数据包丢弃，并传送一个ICMP TTL数据包给发送主机。
- 因此traceroute命令底层可以发出多个数据包，并给这些数据包设置不同的TTL值，最后该主机就能够得到一连串的数据包路径。
IGMP
IGMP 是因特网组管理协议，工作在主机（组播成员）和最后一跳路由之间，如上图中的蓝色部分。
- IGMP 报文向路由器申请加入和退出组播组，默认情况下路由器是不会转发组播包到连接中的主机，除非主机通过 IGMP 加入到组播组，主机申请加入到组播组时，路由器就会记录 IGMP 路由器表，路由器后续就会转发组播包到对应的主机了。
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IGMP 报文采用 IP 封装， IP 头部的协议号为 2 ，而且 TTL 字段值通常为 1 ，因为 IGMP 是工作在主机与连接的路由器之间。
IGMP 工作机制
IGMP 分为了三个版本分别是，IGMPv1、IGMPv2、IGMPv3。
离开组播组工作机制
1.主机 1 要离开组播组 224.1.1.1，发送 IGMP 离组报文。
2.路由器收到该报文后，以 1 秒为间隔连续发送 IGMP 特定组查询报文（共计发送 2 个）。此时在该网段内，组 224.1.1.1 已经没有其他成员了，因此没有主机响应这个查询。
3.一定时间后，路由器认为该网段中已经没有 224.1.1.1 组播组成员了，将不会再向这个网段转发该组播地址的数据包。