摘要
- DNS域名解析
- ARP与RARP协议
- DHCP动态获取IP地址
- NAT网络地址转换
- ICMP互联网控制报文协议
- IGMP因特网组管理协议
DNS域名解析
域名的层级关系
DNS中的域名是用句点分割，比如www.baidu.com，每个句点代表了不同层次之间的界限。
域名中越靠右的位置表示层级越高。
所有域名的层级关系呈现出一个树状结构，根域在最顶层：
- 根DNS服务器
- 顶级域DNS服务器(例如com)
- 权威DNS服务器(例如baidu.com)
根域DNS服务器信息保存在互联网中所有的DNS服务器中，这样任何DNS服务器都可以找到并访问根域DNS服务器。
这样客户端只要找到一台DNS服务器就能找到根域DNS服务器，最终找到包含该域名的一台DNS服务器。
域名解析过程
浏览器首先看自己的缓存里面有没有该域名的缓存，如果没有就检查本机域名解析文件hosts，如果还是没有就会向DNS服务器进行查询，查询过程如下：
- 客户端向本地DNS服务器发起DNS请求，请求www.baidu.com的IP是啥
- 本地域名服务器收到客户端请求，如果能在自己的缓存中找到www.baidu.com，则直接返回IP地址，如果没有就回去查询根域名服务器，根域名服务器不直接用于域名解析，但能够指明道路
- 根域DNS服务器收到DNS请求后，发现它的顶级域是.com，根域服务器会把.com的顶级域DNS服务器地址返回给本地DNS服务器
- 本地DNS服务器收到顶级域DNS服务器地址后，就会向顶级域DNS服务器发起请求
- .com顶级域DNS服务器收到请求后，会返回baidu.com的的权威DNS服务器地址给本地DNS服务器
- 本地DNS服务器收到权威DNS服务器以后，就去找权威DNS服务器询问www.baidu.com的IP地址，之所以是权威是因为到这里，自己的域名就自己做主了。
- 权威DNS服务器进行查询将对应IP地址返回给本地DNS服务器
- 本地DNS将IP返回给客户端，客户端拿到IP后就可以和目标IP建立连接了
ARP和RARP协议
在确定好目标IP时我们可以通过路由表确定数据包的下一跳，但是网络层的下层是数据链路层，因此还需要知道下一跳的MAC地址。
主机的路由表可以获取下一跳的IP地址，ARP协议则是用来获取下一跳的MAC地址。
ARP如何知道MAC地址？
ARP借助ARP请求和ARP响应这两种类型的包确定MAC地址。
- 主机会通过广播发送ARP请求，请求包中包含了想要知道的MAC地址的主机IP地址
- 同个链路上的所有设备收到ARP请求后，会去解析ARP包的内容，如果ARP包中的IP地址与自己的IP地址一直，那么该设备会将自己的MAC地址放入ARP响应中回复给主机
主机的操作系统一般会将该MAC地址进行缓存（缓存有有效期，过期失效清除），以便下次可以直接取用。
什么是RARP协议？
ARP协议是已知IP地址获取MAC地址，RARP则是已知MAC地址获取IP地址。
通常使用RARP我们需要假设一台RARP服务器，在这个服务器上注册设备的MAC地址和IP地址，然后再将这个设备接入网络：
- 该设备会发送一条RARP请求，主要是告诉RARP服务器我的MAC地址，并让服务器返回一个IP
- RARP服务器收到请求后会返回IP信息给这个设备
- 最后设备从收到的RARP响应取出IP，将其设置为自己的IP
RARP一般用于打印机服务器等小型嵌入式设备接入网络。
DHCP动态获取IP地址
DHCP就是用于动态获取IP地址，避免了手动分配IP的繁琐过程。DHCP客户端进程监听的是68端口，DHCP服务端进程监听的是67端口，具体DHCP过程如下：
- 客户端首先发送DHCP发现报文(DHCP DISCOVER)的IP数据包，由于客户端没有IP地址，也不清楚DHCP服务器的地址，所以使用的是UDP广播通信，广播的目的地址是255.255.255.255(端口67)，源地址使用0.0.0.0(端口68)。DHCP客户端将该IP数据包传递给链路层，链路层将帧广播到所有的网络中设备。
- DHCP服务器收到DHCP发现报文，会用DHCP提供报文(DHCP OFFER)向客户端做出响应。该报文仍然使用IP广播地址255.255.255.255，该报文信息携带服务器提供可租约的IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器以及IP地址租用期。
- 客户端收到一个或多个服务器的DHCP提供报文，从中选择一个服务器，并向选中的服务器发送DHCP请求报文（DHCP REQUEST）进行响应，回显配置的参数
- 最后，服务端用DHCP ACK报文对DHCP请求报文进行响应，应答所要求的参数
当租约的DHCP IP地址快到期时，客户端会向服务器发送DHCP请求报文：
- 服务器如果同意客户端继续使用，则用DHCP ACK报文进行应答
- 服务器如果不同意客户端继续使用，则用DHCP NACK报文进行应答，客户端就要停止使用租约的IP地址
DHCP服务器和客户端不在同一网络中如何处理？
DHCP的交互使用的均是广播，假设DHCP服务器和客户端不再一个网络中，路由器又不能转发广播包，那么是否为每一个网络都配置一个DHCP服务器呢？答案是NO。
为了解决上述的问题，出现了DHCP中继代理，通过DHCP中继代理，可以对不同网段的IP地址分配使用同一个DHCP服务器。
- DHCP客户端会向DHCP中继代理发送DHCP请求包，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
NAT网络地址转换
NAT简单来说就是同个公司、家庭、教室的主机对外部通信时，把私有IP地址转换成公有IP地址。
由于绝大多数应用是基于TCP和UDP来传输数据的，因此我们甚至可以把IP地址和端口一起进行转换，这种转换技术称之为网络地址与端口转换NAPT。
从上图可以看出，191.168.1.10和192.168.1.11两台客户端的本地端口是1025，同时与服务器183.232.231.172进行通信，客户端的两个私有IP都被转换为公有IP 120.229.175.121，但是以不同的端口号进行区分。
这种转换表可以在NAT路由器上自动生成。在TCP的情况下，第一次握手的SYN包发出以后就会生成这个表，随着FIN包的确认应答的返回从表中进行删除。
NAT的缺点
- 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路由器被重启，所有TCP连接都会被重置
NAT产生的问题如何解决？
- 改用IPv6
- NAT穿透技术
什么是NAT穿透技术？
NAT穿透技术中，应用程序处于主动地位，应用程序明确知道NAT设备要修改它发送的数据包，因此他主动配合NAT设备的操作，主动建立好映射条目，然后使用这个条目进行对外通信，就不需要NAT设备来进行转换了。
ICMP互联网控制报文协议
ICMP的主要功能有哪些？
- 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
- 改善网络设置等
ICMP的类型？
ICPM的类型大体上分为两类：
- 查询报文类型：用于诊断的查询消息
- 差错报文类型：通知出错原因的错误消息
IGMP因特网组管理协议
D类地址用来进行组播，意思是一组特定的主机可以收到数据包，而IGMP就是用来管理哪些主机是在一组的。
IGMP工作在主机（组播成员）和最后一跳路由之间：
- 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，主机申请加入组播组时，路由器就会记录IGMP路由表，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字段为1，因为IGMP是工作在主机及与其连接的路由器之间
IGMP如何进行常规查询
- 路由器会周期性的发送目的地址为224.0.0.1（表示同一网段内所有主机和路由器）IGMP常规查询报文
- 主机1和3收到查询请求后，会启动报告延迟计时器，每台主机的计时器延迟是随机的，计时器超时后主机就会发送IGMP成员关系报告报文（目的地址就是组播地址）。如果在定时器超时之前，收到同一个组内其他主机发送的成员关系报告报文，自己则不再发送，这样可以减少网络中IGMP报文数量
- 路由器收到主机的成员关系报文后，就会在IGMP路由表中加入该组播组，后续网络中的一旦该组播地址的数据到达路由器，它就会把数据包转发出去
主机离开组播流程有哪些？
- 主机如果要离开组，它会发送离组报文，报文的目的地址是224.0.0.2(表示发送至同网段内的所有路由器)
- 路由器在收到报文后，会连续发送两个IGMP查询报文（中间间隔1s）用来确认组中是否还有其他成员
- 如果组中还有成员，那么组中的成员会立即响应查询报文，这样路由器就知道还有成员
- 如果组中没有成员，则路由器不会收到响应，一段时间后路由器就认为该网段中没有该组的成员了，则会在IGMP路由表中删除该组播组。
