雖然這個(gè)系列教程的重點(diǎn)是搞定 TCP/IP，不過(guò)不用著急，本文簡(jiǎn)要介紹完與 IP 協(xié)議相關(guān)的技術(shù)，下一篇文章就會(huì)正式、詳細(xì)的介紹 傳輸層與 TCP 協(xié)議。這篇文章會(huì)介紹 DNS、ARP、NAT 協(xié)議，這些內(nèi)容雖然與 TCP 沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，但理解它們的原理有助于鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，更好的理解網(wǎng)絡(luò)的工作原理。
DNS 解析
IP地址用于識(shí)別通信雙方的地址，但它是一串長(zhǎng)數(shù)字，不方便記憶，人們希望主機(jī)有自己自己的名字，這個(gè)名字是唯一的，而且容易記住。于是，誕生了“域名”的概念。域名是一種為了識(shí)別主機(jī)名稱(chēng)和機(jī)構(gòu)名的具有分層的名稱(chēng)，比如在域名 neu.edu.cn中，neu是主機(jī)名，edu 和 cn 是不同層次下的機(jī)構(gòu)名。
域名和 IP 地址都可以唯一對(duì)應(yīng)一臺(tái)主機(jī)，DNS 協(xié)議的作用就是將自身具有意義的域名轉(zhuǎn)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 服務(wù)器用于處理 DNS 解析的請(qǐng)求。這樣的好處在于每層的服務(wù)器不用關(guān)注過(guò)多的信息，它只要知道自己這一層下的域名服務(wù)器信息即可。以解析域名： www.ietf.org為例：
根服務(wù)器其實(shí)并不知道 www.ietf.org 的 IP 地址，但是它知道 itef.org 域名服務(wù)器的地址，所以它把這條查詢請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給 itef.org 域名服務(wù)器。DNS請(qǐng)求被逐層下發(fā)，直到找到對(duì)應(yīng)的 IP 地址為止。
ARP 協(xié)議
ARP 協(xié)議(Address Resolution Protocol)用于通過(guò)目標(biāo) IP 地址，定位下一個(gè)接收數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 MAC 地址。如果目標(biāo)主機(jī)處在同一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路上，那么可以直接得到目標(biāo)主機(jī)的 MAC 地址，否則會(huì)得到下一條路由器的 MAC 地址。
ARP 協(xié)議的工作原理可以分為兩部分：ARP 請(qǐng)求和 ARP 響應(yīng)。 首先，源主機(jī)會(huì)通過(guò)廣播發(fā)送一個(gè) ARP 請(qǐng)求包：“我要與 IP 地址為 xxx 的主機(jī)通話，誰(shuí)知道它的 MAC地址？”。
數(shù)據(jù)鏈路上的所有主機(jī)都會(huì)收到這條消息并檢查自己的 IP 地址，如果與 ARP 請(qǐng)求包中的 IP 地址一致，主機(jī)就會(huì)發(fā)送 ARP 響應(yīng)包：“我就是 IP 地址為 xxx 的主機(jī)，我的 MAC 地址是：xxxx”。
下圖表示了 ARP 協(xié)議的工作機(jī)制：
在實(shí)際的使用過(guò)程中，每次往目標(biāo)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都要使用 ARP 是很低效的，通常的做法是把獲取到的 MAC 地址緩存一段時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，一旦源主機(jī)向目標(biāo)地址發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，接下來(lái)繼續(xù)發(fā)送多次的概率非常大，因此這種緩存非常容易命中。
當(dāng)下一次發(fā)送 ARP 請(qǐng)求或超過(guò)一定時(shí)間后，緩存都會(huì)失效，這保證了即使 MAC 地址與 IP 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)包依然能夠被正確的發(fā)往目標(biāo)地址。
再次強(qiáng)調(diào)一下，MAC 和 IP 地址雖然看上去功能類(lèi)似(都是用于唯一區(qū)分主機(jī))，但是兩者缺一不可。如果只有 IP 地址，雖然可以跳過(guò) ARP，直接在數(shù)據(jù)鏈路上發(fā)一個(gè)廣播，但是這僅適用于通信雙方處于同一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路下的情況。如果雙方處于不同的數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)法穿透中間的路由器。
如果全世界只用 MAC 地址，那么請(qǐng)參考交換機(jī)的自學(xué)過(guò)程，可以想象這個(gè)過(guò)程會(huì)帶來(lái)龐大的，不必要的流量。
正因?yàn)?MAC 和 IP 地址缺一不可，所以才產(chǎn)生了 ARP 這樣的協(xié)議將兩者關(guān)聯(lián)起來(lái)。
NAT 和 NAPT 技術(shù)
NAT (Network Address Translator) 是一種用于將局域網(wǎng)中的私有地址轉(zhuǎn)換成全局 IP 地址的技術(shù)。
在連接上無(wú)線路由器的時(shí)候，如果檢查一下設(shè)備的 IP 地址，也許你會(huì)發(fā)現(xiàn)是類(lèi)似于 192.168.1.1 這樣的局域網(wǎng) IP 地址。那不同網(wǎng)段中，IP 地址都是 192.168.1.1 的主機(jī)改如何通信呢？
下圖描繪了 NAT 的工作原理：
局域網(wǎng)中 IP 地址為 10.0.0.10 的主機(jī)向全局 IP 地址 163.221.120.9 發(fā)送數(shù)據(jù)。NAT 路由器將數(shù)據(jù)包的源地址修改成自己的全局 IP 地址：202.244.174.37。同理，接收數(shù)據(jù)時(shí)，路由器把目標(biāo)地址 202.244.174.37 翻譯成內(nèi)網(wǎng)地址：10.0.0.10
路由器只有一個(gè)對(duì)外的全局 IP 地址，如果有多個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)都向外部通訊怎么辦呢？這時(shí)就要使用 NAPT 技術(shù)，它和 NAT 從原理上類(lèi)似，但它可以轉(zhuǎn)換 TCP 和 UDP 端口號(hào)。
使用 NAPT 技術(shù)時(shí)，不同的內(nèi)網(wǎng) IP 被轉(zhuǎn)換成同一個(gè)公共 IP 地址，也就是路由器對(duì)外顯示的全局 IP 地址，但是被附加不同的端口號(hào)以示區(qū)分：
不管是 NAT 還是 NAPT，都需要路由器路由器內(nèi)部維護(hù)一張自動(dòng)生成的地址轉(zhuǎn)換表。以 TCP 為例，建立 TCP 連接首次握手的 SYN 包發(fā)出時(shí)會(huì)生成這個(gè)表，關(guān)閉連接時(shí)會(huì)發(fā)出 FIN 包，收到這個(gè)包的應(yīng)答時(shí)轉(zhuǎn)換表被刪除。
如果暫時(shí)不了解 TCP 協(xié)議和三次握手也沒(méi)有關(guān)系，下一篇文章將會(huì)有詳細(xì)的講解。
