[面試∙網絡] TCP/IP（三）：IP協議相關技術

在前兩篇文章中，我分別介紹了數據鏈路層和網絡層的IP協議。雖然這個系列教程的重點是搞定 TCP/IP，不過不用着急，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，更好的理解網絡的工做原理。

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，人們但願主機有本身本身的名字，這個名字是惟一的，並且容易記住。因而，誕生了「域名」的概念。域名是一種爲了識別主機名稱和機構名的具備分層的名稱，好比在域名 neu.edu.cn中，neu是主機名，edu 和 cn 是不一樣層次下的機構名。

域名和 IP 地址均可以惟一對應一臺主機，DNS 協議的做用就是將自身具備意義的域名轉換成不容易記住的 IP 地址。

域名是分層的，每層都有本身的 DNS 服務器用於處理 DNS 解析的請求。這樣的好處在於每層的服務器不用關注過多的信息，它只要知道本身這一層下的域名服務器信息便可。以解析域名： www.ietf.org爲例：

根服務器其實並不知道 www.ietf.org 的 IP 地址，可是它知道 itef.org 域名服務器的地址，因此它把這條查詢請求轉發給 itef.org 域名服務器。DNS請求被逐層下發，直到找到對應的 IP 地址爲止。

ARP 協議

ARP 協議(Address Resolution Protocol)用於經過目標 IP 地址，定位下一個接收數據包的網絡設備的 MAC 地址。若是目標主機處在同一個數據鏈路上，那麼能夠直接獲得目標主機的 MAC 地址，不然會獲得下一條路由器的 MAC 地址。

ARP 協議的工做原理能夠分爲兩部分：ARP 請求和 ARP 響應。 首先，源主機會經過廣播發送一個 ARP 請求包：「我要與 IP 地址爲 xxx 的主機通話，誰知道它的 MAC地址？」。

數據鏈路上的全部主機都會收到這條消息並檢查本身的 IP 地址，若是與 ARP 請求包中的 IP 地址一致，主機就會發送 ARP 響應包：「我就是 IP 地址爲 xxx 的主機，個人 MAC 地址是：xxxx」。

下圖表示了 ARP 協議的工做機制：

在實際的使用過程當中，每次往目標主機發送數據都要使用 ARP 是很低效的，一般的作法是把獲取到的 MAC 地址緩存一段時間。通常來講，一旦源主機向目標地址發送一個數據包，接下來繼續發送屢次的機率很是大，所以這種緩存很是容易命中。

當下一次發送 ARP 請求或超過必定時間後，緩存都會失效，這保證了即便 MAC 地址與 IP 地址的對應關係發生了變化，數據包依然可以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相似(都是用於惟一區分主機)，可是二者缺一不可。若是隻有 IP 地址，雖然能夠跳過 ARP，直接在數據鏈路上發一個廣播，可是這僅適用於通訊雙方處於同一個數據鏈路下的狀況。若是雙方處於不一樣的數據鏈路，數據報沒法穿透中間的路由器。

若是全世界只用 MAC 地址，那麼請參考交換機的自學過程，能夠想象這個過程會帶來龐大的，沒必要要的流量。

正由於 MAC 和 IP 地址缺一不可，因此才產生了 ARP 這樣的協議將二者關聯起來。

NAT 和 NAPT 技術

NAT (Network Address Translator) 是一種用於將局域網中的私有地址轉換成全局 IP 地址的技術。

在鏈接上無線路由器的時候，若是檢查一下設備的 IP 地址，也許你會發現是相似於 192.168.1.1 這樣的局域網 IP 地址。那不一樣網段中，IP 地址都是 192.168.1.1 的主機改如何通訊呢？

下圖描繪了 NAT 的工做原理：

局域網中 IP 地址爲 10.0.0.10 的主機向全局 IP 地址 163.221.120.9 發送數據。NAT 路由器將數據包的源地址修改爲本身的全局 IP 地址：202.244.174.37。同理，接收數據時，路由器把目標地址 202.244.174.37 翻譯成內網地址：10.0.0.10

路由器只有一個對外的全局 IP 地址，若是有多個內網主機都向外部通信怎麼辦呢？這時就要使用 NAPT 技術，它和 NAT 從原理上相似，但它能夠轉換 TCP 和 UDP 端口號。

使用 NAPT 技術時，不一樣的內網 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局 IP 地址，可是被附加不一樣的端口號以示區分：

不論是 NAT 仍是 NAPT，都須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 爲例，創建 TCP 鏈接首次握手的 SYN 包發出時會生成這個表，關閉鏈接時會發出 FIN 包，收到這個包的應答時轉換表被刪除。

若是暫時不瞭解 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。