计算机网络⑦ —— 网络层协议

1. ARP协议

• 在传输⼀个 IP 数据报的时候，确定了源 IP 地址和⽬标 IP 地址后，就会通过主机路由表确定 IP 数据包下⼀跳。然⽽，⽹络层的下⼀层是数据链路层，所以我们还要知道下⼀跳的 MAC 地址。由于主机的路由表中可以找到下⼀跳的 IP 地址，所以可以通过 ARP 协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议），求得下⼀跳的 MAC 地址。
• ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应两种类型的包确定 MAC 地址的
  • 主机会通过⼴播发送 ARP 请求，这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址
  • 当同个链路中的所有设备收到 ARP 请求时，会去拆开 ARP 请求包⾥的内容，如果 ARP 请求包中的⽬标 IP 地址与⾃⼰的 IP 地址⼀致，那么这个设备就将⾃⼰的 MAC 地址塞⼊ ARP 响应包返回给主机
  • 操作系统通常会把第⼀次通过 ARP 获取的 MAC 地址缓存起来，以便下次直接从缓存中找到对应 IP 地址的 MAC 地址。 不过，MAC 地址的缓存是有⼀定期限的，超过这个期限，缓存的内容将被清除

2. RARP协议

• ARP 协议是已知 IP 地址求 MAC 地址，而 RARP 协议正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。

3. DHCP协议

• 动态主机配置协议，我们的电脑通常都是通过 DHCP 动态获取 IP 地址，⼤⼤省去了配 IP 信息繁琐的过程

• 电脑动态获取IP的步骤：
  

• DHCP 客户端进程监听的是 68 端⼝号，DHCP 服务端进程监听的是 67 端⼝号

• 如果租约的 DHCP IP 地址快期后，客户端会向服务器发送 DHCP 请求报⽂：

  • 服务器如果同意继续租⽤：则⽤ DHCP ACK 报⽂进⾏应答，客户端就会延⻓租期。
  • 服务器如果不同意继续租⽤：则⽤ DHCP NACK 报⽂，客户端就要停⽌使⽤租约的 IP 地址。

• 在DHCP 交互中，全程都是使⽤ UDP ⼴播通信，如果 DHCP 服务器和客户端不是在同⼀个局域⽹内，路由器⼜不会转发⼴播包，那是不是每个⽹络都要配⼀个 DHCP 服务器？

  • 为了解决这一问题，出现了 DHCP 中继代理，对不同⽹段的 IP 地址分配也可以由⼀个 DHCP 服务器统⼀进⾏管理
    • DHCP 客户端会向 DHCP 中继代理发送 DHCP 请求包，⽽ DHCP 中继代理在收到这个⼴播包以后，再以单播的形式发给 DHCP 服务器。
    • 服务器端收到该包以后再向 DHCP 中继代理返回应答，并由 DHCP 中继代理将此包⼴播给 DHCP 客户端

4. NAT

• 网络地址转换，为了缓解了 IPv4 地址耗尽的问题，简单的来说 NAT 就是同个公司、家庭、教室内的主机对外部通信时，把私有 IP 地址转换成公有 IP 地址
• NAPT：网络端口地址转换
• 缺点：
  • 外部⽆法主动与 NAT 内部服务器建⽴连接，因为 NAPT 转换表没有转换记录。
  • 转换表的⽣成与转换操作都会产⽣性能开销。
  • 通信过程中，如果 NAT 路由器重启了，所有的 TCP 连接都将被重置。
• 解决：
  • 改用IPv6
  • NAT 穿透技术
    • NAT 穿越技术能够让⽹络应⽤程序主动发现⾃⼰位于 NAT 设备之后，并且会主动获得 NAT 设备的公有 IP，并为⾃⼰建⽴端⼝映射条⽬

5. ICMP（互联⽹控制报⽂协议）

• 主要功能：
  • 确认 IP 包是否成功送达⽬标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善⽹络设置等
  • 在 IP 通信中如果某个 IP 包因为某种原因未能达到⽬标地址，那么这个具体的原因将由 ICMP 负责通知
• 类型：
  • ⼀类是⽤于诊断的查询消息，也就是「查询报⽂类型」
  • ⼀类是通知出错原因的错误消息，也就是「差错报⽂类型」

6. IGMP（因特⽹组管理协议）

• IGMP 报⽂向路由器申请加⼊和退出组播组，默认情况下路由器是不会转发组播包到连接中的主机，除⾮主机通过 IGMP 加⼊到组播组，主机申请加⼊到组播组时，路由器就会记录 IGMP 路由器表，路由器后续就会转发组播包到对应的主机了
• IGMP 报⽂采⽤ IP 封装，IP 头部的协议号为 2，⽽且 TTL 字段值通常为 1，因为 IGMP 是⼯作在主机与连接的路由器之间