[面试∙网络] TCP/IP（三）：IP协议相关技术

在前两篇文章中，我分别介绍了数据链路层和网络层的IP协议。虽然这个系列教程的重点是搞定 TCP/IP，不过不用着急，本文简要介绍完与 IP 协议相关的技术，下一篇文章就会正式、详细的介绍 传输层与 TCP 协议。这篇文章会介绍 DNS、ARP、NAT 协议，这些内容虽然与 TCP 没有直接关联，但理解它们的原理有助于巩固基础知识，更好的理解网络的工做原理。

DNS 解析

IP地址用于识别通讯双方的地址，但它是一串长数字，不方便记忆，人们但愿主机有本身本身的名字，这个名字是惟一的，并且容易记住。因而，诞生了“域名”的概念。域名是一种为了识别主机名称和机构名的具备分层的名称，好比在域名 neu.edu.cn中，neu是主机名，edu 和 cn 是不一样层次下的机构名。

域名和 IP 地址均可以惟一对应一台主机，DNS 协议的做用就是将自身具备意义的域名转换成不容易记住的 IP 地址。

域名是分层的，每层都有本身的 DNS 服务器用于处理 DNS 解析的请求。这样的好处在于每层的服务器不用关注过多的信息，它只要知道本身这一层下的域名服务器信息便可。以解析域名： www.ietf.org为例：

根服务器其实并不知道 www.ietf.org 的 IP 地址，可是它知道 itef.org 域名服务器的地址，因此它把这条查询请求转发给 itef.org 域名服务器。DNS请求被逐层下发，直到找到对应的 IP 地址为止。

ARP 协议

ARP 协议(Address Resolution Protocol)用于经过目标 IP 地址，定位下一个接收数据包的网络设备的 MAC 地址。若是目标主机处在同一个数据链路上，那么能够直接获得目标主机的 MAC 地址，不然会获得下一条路由器的 MAC 地址。

ARP 协议的工做原理能够分为两部分：ARP 请求和 ARP 响应。 首先，源主机会经过广播发送一个 ARP 请求包：“我要与 IP 地址为 xxx 的主机通话，谁知道它的 MAC地址？”。

数据链路上的全部主机都会收到这条消息并检查本身的 IP 地址，若是与 ARP 请求包中的 IP 地址一致，主机就会发送 ARP 响应包：“我就是 IP 地址为 xxx 的主机，个人 MAC 地址是：xxxx”。

下图表示了 ARP 协议的工做机制：

在实际的使用过程当中，每次往目标主机发送数据都要使用 ARP 是很低效的，一般的作法是把获取到的 MAC 地址缓存一段时间。通常来讲，一旦源主机向目标地址发送一个数据包，接下来继续发送屡次的几率很是大，所以这种缓存很是容易命中。

当下一次发送 ARP 请求或超过必定时间后，缓存都会失效，这保证了即便 MAC 地址与 IP 地址的对应关系发生了变化，数据包依然可以被正确的发往目标地址。

再次强调一下，MAC 和 IP 地址虽然看上去功能相似(都是用于惟一区分主机)，可是二者缺一不可。若是只有 IP 地址，虽然能够跳过 ARP，直接在数据链路上发一个广播，可是这仅适用于通讯双方处于同一个数据链路下的状况。若是双方处于不一样的数据链路，数据报没法穿透中间的路由器。

若是全世界只用 MAC 地址，那么请参考交换机的自学过程，能够想象这个过程会带来庞大的，没必要要的流量。

正由于 MAC 和 IP 地址缺一不可，因此才产生了 ARP 这样的协议将二者关联起来。

NAT 和 NAPT 技术

NAT (Network Address Translator) 是一种用于将局域网中的私有地址转换成全局 IP 地址的技术。

在链接上无线路由器的时候，若是检查一下设备的 IP 地址，也许你会发现是相似于 192.168.1.1 这样的局域网 IP 地址。那不一样网段中，IP 地址都是 192.168.1.1 的主机改如何通讯呢？

下图描绘了 NAT 的工做原理：

局域网中 IP 地址为 10.0.0.10 的主机向全局 IP 地址 163.221.120.9 发送数据。NAT 路由器将数据包的源地址修改为本身的全局 IP 地址：202.244.174.37。同理，接收数据时，路由器把目标地址 202.244.174.37 翻译成内网地址：10.0.0.10

路由器只有一个对外的全局 IP 地址，若是有多个内网主机都向外部通信怎么办呢？这时就要使用 NAPT 技术，它和 NAT 从原理上相似，但它能够转换 TCP 和 UDP 端口号。

使用 NAPT 技术时，不一样的内网 IP 被转换成同一个公共 IP 地址，也就是路由器对外显示的全局 IP 地址，可是被附加不一样的端口号以示区分：

不论是 NAT 仍是 NAPT，都须要路由器路由器内部维护一张自动生成的地址转换表。以 TCP 为例，创建 TCP 链接首次握手的 SYN 包发出时会生成这个表，关闭链接时会发出 FIN 包，收到这个包的应答时转换表被删除。

若是暂时不了解 TCP 协议和三次握手也没有关系，下一篇文章将会有详细的讲解。