DNS/ICMP协议、NAT技术

DNS协议

DNS（Domain Name System，域名系统）协议，是一个用来将域名转化为IP地址的应用层协议。

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, 通过互连网信息中心(SRI-NIC)来管理这个hosts文件的：

• 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。

这样就太麻烦了, 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。

域名简介

域名是用来识别主机名称和主机所属的组织机构的一种分层结构的名称，例如www.baidu.com。

• com：一级域名，表示这是一个工商企业域名。同级的还有.net（网络提供商）和.org（开源组织或非盈利组织）等。
• baidu：二级域名，一般对应的就是公司名。
• www：只是一种习惯用法，之前人们在使用域名时，往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式，来表示主机支持的协议。

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protoco）Internet控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制信息，是一个TCP/IP协议。

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。

ping命令

ping命令是基于ICMP协议实现的，通常用于测试本地主机与另一台主机之间的通信信道是否正常。

例如，使用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。

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？

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。

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。

NAT技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术，是解决IP地址不足的主要手段，并且能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

NAT技术背景

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。

NAT IP转换过程

数据报从局域网到公网过程

• 当客户端A向服务器发送数据时，最开始数据报中源IP地址为客户端A的私有IP地址，目的IP地址为公网IP地址；
• 当数据包经过NAT路由器时，此时路由器就会将源IP地址转换为自己的WAN口IP地址，然后数据包的源IP地址和目的IP地址就都变为了公网IP地址了；
• 此后在互联网中转发，最终到达客户端。

数据报从公网到局域网过程

服务器收到客户端A的数据请求并处理后，就会对客户端A发来的请求进行响应。

• 最开始数据包中的源IP地址是公网IP地址，目的IP地址是WAN口IP地址；
• 当服务端向客户端A进行响应时，数据包经过NAT路由器，会将目的IP地址转换为客户端A的私有IP地址；
• 最终数据包会发送到客户端A。

NAPT

地址转换表

NAT路由器是如何判断，应该将从外网收到的响应数据包转发给局域网中的哪一台主机呢？

• NAT路由器的内部，有一张自动生成，用于转换地址的表；
• 该表维护的就是局域网中主机的私有IP，与其对应访问的外网当中的某个公网IP之间的映射关系；
• 局域网中的主机第一次向外网发起数据请求时，就会生成表中的映射关系；
• 比如在TCP建立连接时，会建立对应的映射关系，在TCP断开连接后，就会删除对应的映射关系。

例如当客户端A要访问服务端时，路由表会建立以下映射关系。

当NAT路由器收到客户端向服务端A发来的响应时，就会在转换表中查找到该数据是发送给服务端A的。

如果局域网中的服务端A和服务端B同时都在访问该服务器，那么此时转换表中就会建立如下两对映射关系：

此时就只能保证从左到右的映射关系，从右到左的映射关系就得不到保证了，当服务端发来响应数据时，该数据包中的目的IP地址都是路由器的WAN口IP，此时NAT路由器就无法判断该数据包应该转发给客户端A还是客户端B，此时就需要用到NAPT技术。

NAPT

NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换），可以将多个内部地址映射为一个合法公网地址。

• 为了解决服务端在响应过程中无法判断数据包发送谁的问题，此时就会当NAPT建立映射关系时，在建立局域网中私有IP与其公有IP的映射关系以外，还会增加一个NAT路由器选定的端口号；
• 此时局域网中多台主机访问一个服务器时，虽然后服务器响应发送给每个主机的目的IP地址都是WAN口IP地址，但是对应的目的端口号是不同的，此时路由器就能通过IP+Port的方式来区分发给不同主机的数据包。

如果此时客户端A和客户端B同时访问一个服务器，他们的端口号是1025；

• 假设客户端A发送的数据包先到达路由器，此时路由器将数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址，由于路由器用于访问该服务器的1025号端口没有被使用，因此该数据包的源端口号可以不变。
• 当客户端B发来的数据包到达路由器时，路由器同样将数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址，但此时路由器用于访问该服务器的1025号端口已经被主机A使用了，因此路由器会重新选定一个端口号对数据包的源端口号进行替换。

此时转换表中就会建立如下两队映射关系：

此时这张转换表既能保证从左到右的唯一性，也能保证从右到左的唯一性。

NAT技术的缺陷

NAT技术进行私有IP和公网之间的替换，主要就是依赖NAT路由器当中维护的网络地址转换表，但这张转换表也体现出了NAT的一些缺陷：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接，因为外部无法知道内部的私网IP，也就无法主动与内部服务器建立连接。
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销。
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开。+

NAT和代理服务器

路由器往往都具备NAT设备的功能，通过NAT设备进行中转，完成子网设备和其他子网设备的通信过程。

代理服务器看起来和NAT设备有一点像，客户端像代理服务器发送请求，代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器；服务器返回结果后，代理服务器又把结果回传给客户端。代理服务器又分为正向代理和反向代理。

正向代理

正向代理，是一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，客户端并不直接访问目标服务器，而是先访问代理服务器，由代理服务器代替客户端去访问对应的目标服务器，并将目标服务器的响应结果返回给客户端。

比如公司内部一般都会有自己的服务器，当我们使用公司内网上网时。

• 我们对外网发起的数据请求，首先会转发到公司的这台服务器上，然后由公司的这台服务器代替你对外网进行访问。

• 当公司的服务器收到对应外网的响应数据后，再由公司的这台服务器将数据转发给你。
  正向代理的好处：

• 正向代理最大的一个好处就是可以加速资源访问。

• 比如公司中大量员工都要访问外网的同一个资源，那么正向代理服务器就可以将对应的资源缓存到本地，此时当其他人要访问该资源时，直接在正向代理服务器就可以获取，而不需要再次进行外网访问。

• 正向代理在最开始对使用者的身份进行认证，也会对发送到内容进行审核等作用。

反向代理

反向代理，也是一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，对于客户端而言，反向代理服务器就相当于目标服务器，用户不需要知道目标服务器的地址，用户只需要访问反向代理服务器，再由反向代理服务器将客户端的请求转发给真正的目标服务器进行处理，数据处理完毕后反向代理服务器再将数据结果返回给客户端。

反向代理的好处：

• 反向代理可以起到负载均衡的作用。比如不设置反向代理服务器，那么用户在访问百度时，就会随机访问到百度内部的某台服务器，此时就可能导致某些服务器压力太大，而某些服务器却处于闲置状态。而设置了反向代理服务器后，我们就能够通过某些方法让用户的数据请求较为平均的落到每台服务器上。
• 反向代理还能起到安全防护的作用。有了方向代理服务器后，我们不需要直接将提供服务的服务器对应的信息暴露出去，此外，当由非法请求发送到反向代理服务器时，反向代理服务器就相当于一层软件屏障，可以在反向代理服务器当中部署一些防护措施，让这些非法请求在反向代理服务器这里就被过滤掉，而不会影响内部实际提供服务的服务器。

注意，代理服务器不左任何业务的处理，只负责将请求推送到后端的主机。

正向代理和反向代理的异同

相同点：

• 正向代理服务器和反向代理服务器都是位于客户端和服务器之间的。
• 正向代理服务器和反向代理服务器的主要工作，都是把客户端的请求转发给服务器，再把服务器的响应转发给客户端。

不同点：

• 正向代理是客户端的代理，帮助客户端访问其无法访问的服务器资源的，而反向代理则是服务器的代理，帮助服务器做负载均衡、安全防护等工作的。
• 正向代理一般是客户端架设的，比如公司的正向代理服务器是公司作为客户端架设的，而反向代理一般是服务端架设的，比如百度的反向代理服务器是百度作为服务端架设的。
• 正向代理中，服务器不知道真正的客户端到底是谁，服务器认为正向代理服务器就是真实的客户端，而反向代理中，客户端不知道真正的服务器是谁，客户端认为反向代理服务器就是真实的服务器。

NAT和代理服务器的区别

• 从应用上讲，NAT设备是网络基础设备之一，解决的是IP不足的问题；代理服务器则是更贴近具体应用，比如通过代理服务器进行，另外像迅游这样的加速器，也是使用代理服务器；
• 从底层实现上讲，NAT是工作在网络层，直接对IP地址进行替换，代理服务器往往工作在应用层；
• 从使用范围上讲，NAT一般在局域网的出口部署，代理服务器可以在局域网做，也可以在广域网做，也可以跨网；
• 从部署位置上看，NAT一般集成在防火墙，路由器等硬件设备上，代理服务器则是一个软件程序，需要部署在服务器上。

网络协议总结

应用层

• 应用层的作用：负责应用程序间沟通，完成一系列业务处理所需服务。
• 能够根据自己的需求，设计对应的应用层协议。
• 了解HTTP协议。
• 理解DNS的原理和工作流程。

传输层

• 传输层的作用：负责为两个网络通信进程之间的通信提供服务，更多的是为数据的传输提供一些策略。
• 理解端口号的概念。
• 认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性，理解TCP协议的状态转化。
• 掌握TCP的连接管理、确认应答、超时重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延迟应答、捎带应答特性。
• 理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
• 能够基于UDP实现可靠传输。
• 理解MTU对UDP/TCP的影响。

网络层

• 网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一条合适的路径。
• 理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
• 理解IP协议格式。
• 理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案，理解私有IP和公网IP。
• 理解网络层的IP地址路由过程，理解一个数据包如何跨网段到达最终目的地。
• 理解IP数据包分片的原因。
• 了解ICMP协议。
• 了解NAT设备的工作原理。

数据链路层

• 数据链路层的作用：负责局域网内两个设备之间的数据传递。
• 理解以太网通信原理
• 以太网帧格式。
• 理解MAC地址。
• 理解ARP协议。
• 理解MTU。