[面試∙網路] TCP/IP（三）：IP協議相關技術

bestswifter發表於2017-12-12
面試TCP協議

在前兩篇文章中，我分別介紹了資料鏈路層和網路層的IP協議。雖然這個系列教程的重點是搞定 TCP/IP，不過不用著急，本文簡要介紹完與 IP 協議相關的技術，下一篇文章就會正式、詳細的介紹 傳輸層與 TCP 協議。這篇文章會介紹 DNS、ARP、NAT 協議，這些內容雖然與 TCP 沒有直接關聯，但理解它們的原理有助於鞏固基礎知識，更好的理解網路的工作原理。

DNS 解析

IP地址用於識別通訊雙方的地址，但它是一串長數字，不方便記憶，人們希望主機有自己自己的名字，這個名字是唯一的，而且容易記住。於是，誕生了“域名”的概念。域名是一種為了識別主機名稱和機構名的具有分層的名稱，比如在域名 neu.edu.cn中，neu是主機名，edu 和 cn 是不同層次下的機構名。

域名和 IP 地址都可以唯一對應一臺主機，DNS 協議的作用就是將自身具有意義的域名轉換成不容易記住的 IP 地址。

域名是分層的，每層都有自己的 DNS 伺服器用於處理 DNS 解析的請求。這樣的好處在於每層的伺服器不用關注過多的資訊，它只要知道自己這一層下的域名伺服器資訊即可。以解析域名： www.ietf.org為例：

DNS解析過程

根伺服器其實並不知道 www.ietf.org 的 IP 地址，但是它知道 itef.org 域名伺服器的地址，所以它把這條查詢請求轉發給 itef.org 域名伺服器。DNS請求被逐層下發，直到找到對應的 IP 地址為止。

ARP 協議

ARP 協議(Address Resolution Protocol)用於通過目標 IP 地址，定位下一個接收資料包的網路裝置的 MAC 地址。如果目標主機處在同一個資料鏈路上，那麼可以直接得到目標主機的 MAC 地址，否則會得到下一條路由器的 MAC 地址。

ARP 協議的工作原理可以分為兩部分：ARP 請求和 ARP 響應。 首先，源主機會通過廣播傳送一個 ARP 請求包：“我要與 IP 地址為 xxx 的主機通話，誰知道它的 MAC地址？”。

資料鏈路上的所有主機都會收到這條訊息並檢查自己的 IP 地址，如果與 ARP 請求包中的 IP 地址一致，主機就會傳送 ARP 響應包：“我就是 IP 地址為 xxx 的主機，我的 MAC 地址是：xxxx”。

下圖表示了 ARP 協議的工作機制：

ARP機制

在實際的使用過程中，每次往目標主機傳送資料都要使用 ARP 是很低效的，通常的做法是把獲取到的 MAC 地址快取一段時間。一般來說，一旦源主機向目標地址傳送一個資料包，接下來繼續傳送多次的概率非常大，因此這種快取非常容易命中。

當下一次傳送 ARP 請求或超過一定時間後，快取都會失效，這保證了即使 MAC 地址與 IP 地址的對應關係發生了變化，資料包依然能夠被正確的發往目標地址。

再次強調一下，MAC 和 IP 地址雖然看上去功能類似(都是用於唯一區分主機)，但是兩者缺一不可。如果只有 IP 地址，雖然可以跳過 ARP，直接在資料鏈路上發一個廣播，但是這僅適用於通訊雙方處於同一個資料鏈路下的情況。如果雙方處於不同的資料鏈路，資料包無法穿透中間的路由器。

如果全世界只用 MAC 地址，那麼請參考交換機的自學過程，可以想象這個過程會帶來龐大的，不必要的流量。

正因為 MAC 和 IP 地址缺一不可，所以才產生了 ARP 這樣的協議將兩者關聯起來。

NAT 和 NAPT 技術

NAT (Network Address Translator) 是一種用於將區域網中的私有地址轉換成全域性 IP 地址的技術。

在連線上無線路由器的時候，如果檢查一下裝置的 IP 地址，也許你會發現是類似於 192.168.1.1 這樣的區域網 IP 地址。那不同網段中，IP 地址都是 192.168.1.1 的主機改如何通訊呢？

下圖描繪了 NAT 的工作原理：

區域網中 IP 地址為 10.0.0.10 的主機向全域性 IP 地址 163.221.120.9 傳送資料。NAT 路由器將資料包的源地址修改成自己的全域性 IP 地址：202.244.174.37。同理，接收資料時，路由器把目標地址 202.244.174.37 翻譯成內網地址：10.0.0.10

NAT工作原理

路由器只有一個對外的全域性 IP 地址，如果有多個內網主機都向外部通訊怎麼辦呢？這時就要使用 NAPT 技術，它和 NAT 從原理上類似，但它可以轉換 TCP 和 UDP 埠號。

使用 NAPT 技術時，不同的內網 IP 被轉換成同一個公共 IP 地址，也就是路由器對外顯示的全域性 IP 地址，但是被附加不同的埠號以示區分：

NAPT工作原理

不管是 NAT 還是 NAPT，都需要路由器路由器內部維護一張自動生成的地址轉換表。以 TCP 為例，建立 TCP 連線首次握手的 SYN 包發出時會生成這個表，關閉連線時會發出 FIN 包，收到這個包的應答時轉換表被刪除。

如果暫時不瞭解 TCP 協議和三次握手也沒有關係，下一篇文章將會有詳細的講解。

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