【计算机网络】7. 网络基础5之详解以太网协议，ARP协议，NAT协议，DNS协议

1. 以太网协议

网络层的IP协议负责路由选择，而具体如何从A机器到B设备，网络层并没有关心，而是数据链路层负责相邻设备的转发。

命令：route -n：打印路由表

数据链路层负责相邻设备之间的转发
数据链路层当中使用到的MAC地址（物理地址），跟网卡强相关，绑定在网卡上，一个物理网卡当中的MAC地址是全球唯一的

1.1 以太网协议格式

（1）目的地址：目的MAC地址
（2）源地址：源MAC地址
（3）类型：数据链路层的上层协议是什么
                   例如：ip协议–》以太网协议，则类型当中是以太网协议（为了方便接收方通过类型辨别当前以太网协议的有效载荷是递交给
                              哪一个协议的）
（4）有效载荷：46字节(最小字节限制) ~ 1500字节(MTU)
                           针对小于46字节的数据，会对数据进行补0操作，将数据补满46字节
（5）CRC：校验数据在传输过程当中是否失真

网络层进行选路，数据链路层负责相邻设备的转发。
数据链路层根据网络层选择的路由项，进行转发。一定需要知道要转发的这个路由所对应的相邻设备的MAC地址。
要么是子网内机器的MAC地址
要么是连接的路由项WAN口对应的MAC地址

2.ARP协议

在组织以太网协议的时候，需要知道相邻设备的MAC地址，但是如果当前主机不知道相邻设备的MAC地址，该如何做呢？
使用arp协议，获取相邻设备的MAC地址
获取子网内部机器的MAC地址
获取相邻路由器设备WAN口的MAC地址

2.1 arp协议的格式

注意：arp协议是想要获取相邻设备的MAC地址
（1）6字节的以太网的目的MAC地址：填充为：0xFFFFFFFFFFFF，标识当前的arp请求是要给子网内的机器进行广播
（2）6字节的以太网源MAC地址
（3）2字节的帧类型：arp协议
（4）2字节的硬件类型：指定当前网络类型（以太网）
（5）2字节的协议类型：ipv4协议，ipv4版本的ip地址获取MAC地址
（6）1字节的硬件地址长度：1字节可以表示的数字位（-128~127），MAC地址的长度（6字节）
（7）1字节的协议地址长度：ipv4版本ip地址的长度（4字节）
（8）op：当前的arp数据是请求还是应答
                 1：arp请求
                 2：arp应答
（9）6字节的发送端以太网地址：源MAC地址
（10）4字节的发送端IP地址
（11）6字节的目的以太网地址：请求：0x000000000000
                                                     应答：发送arp请求机器的MAC地址
（12）4字节的目的IP地址

模拟发送ARP请求：
arping -I [网卡设备] -c [次数] [目标机器的ip地址]




目的MAC地址保存的是相邻设备的MAC地址，源MAC地址保存的是发出消息设备的MAC地址

在网络数据转发的过程当中，目的IP地址一般（除非有NAT转换的情况）是不会改变的，转发设备会针对网络数据进行分用到网络层，获取到目的IP地址，通过目的IP和自己保存的路由表进行匹配，从而选择路由。
数据链路层组织的以太网协议当中的目的MAC地址，一定是相邻设备的MAC地址

2.2 arp缓存表

arp缓存表当中保存ip地址和mac地址的对应关系
arp缓存表当中的记录是有老化时间的，老化时间为20min，一旦失效，会重新发送arp请求，获取ip地址对应的MAC地址

2.2.1 为什么需要arp缓存表？

当网络数据从网络层到达数据链路层的时候，需要填充以太网协议的目的MAC地址，则可以通过arp缓存表当中记录的项，查找对应的MAC地址
如果差找到了，则拿到MAC地址，填充以太网协议之后，就进行发送
如果没有查找到，则使用arp协议，获取目标ip的MAC地址。

2.2.2 arping发送的arp数据在抓包的时候为什么没有看到广播现象？

2.2.3 为什么arp缓存表当中的记录还需要老化（失效）时间？

可能会出现不同的IP对应是同一个MAC地址

3. NAT：地址转换协议

目前的ipv4版本的ip地址不够用，面临枯竭的问题，42亿9千万多个ip地址



（1）静态NAT
NAT服务器针对私网IP，一对一的转换成为公网IP

（2）动态NAT
NAT服务器维护多个公网IP地址，当私网主机想要访问互联网的时候，找一个空闲的公网IP与之转换

不管怎么样，静态NAT和动态NAT在转换的时候，都是1对1的关系，都是一个私网ip映射一个公网ip，并没有i实质性的缓解ip地址枯竭

（3）NAPT：动态NAT重载
不仅仅要将私网ip转换成为公网ip，还需要将端口也转换成为不同的端口

NAT服务器将网络划分成了公网和私网
NAT服务器针对私网请求出数据进行转化源IP地址，针对公网回复的应答数据转换目的IP地址
NAT服务器的转换，针对消息的双方是透明的，无感知
网络请求只能从私网主机发起，NAT转换，公网主机应答
NAT服务器在转换之后，需要保存映射关系

4. DNS协议

DNS协议叫做域名解析协议，将域名转化成为ip地址，方便了人们记忆。
域名：本质上就是一个字符串
DNS协议：将域名转化成为ip地址