精通 IP
1.IP 基本认识
2.IP 地址的基础认识
3.IP 协议相关技术
| 协议 | 作用 |
|---|---|
| DNS | 域名解析 |
| ARP 协议 与 RARP 服务器 | |
| 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 |
3.1 DNS
浏览器首先看一下自己的缓存里有没有，如果没有就向操作系统的缓存要，还没有就检查本机域名解析文件 hosts，如果还是没有，就会 DNS 服务器进行查询，查询的过程如下：
客户端首先会发出一个 DNS 请求，问 www.server.com 的 IP 是啥，并发给本地 DNS 服务器（也就是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址）。
本地域名服务器收到客户端的请求后，如果缓存里的表格能找到 www.server.com，则它直接返回 IP 地址。如果没有，本地 DNS 会去问它的根域名服务器：“老大， 能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？” 根域名服务器是最高层次的，它不直接用于域名解析，但能指明一条道路。
根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后，发现后置是 .com，说：“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”，我给你 .com 顶级域名服务器地址给你，你去问问它吧。”
本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后，发起请求问“老二， 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？”
顶级域名服务器说：“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能问到”。
本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器：“老三，www.server.com对应的IP是啥呀？” server.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。
3.2 ARP
3.3 DHCP
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。
客户端首先发起 DHCP 发现报文（DHCP DISCOVER） 的 IP 数据报，由于客户端没有 IP 地址，也不知道 DHCP 服务器的地址，所以使用的是 UDP 广播通信，其使用的广播目的地址是 255.255.255.255（端口 67） 并且使用 0.0.0.0（端口 68） 作为源 IP 地址。DHCP 客户端将该 IP 数据报传递给链路层，链路层然后将帧广播到所有的网络中设备。
DHCP 服务器收到 DHCP 发现报文时，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 提供报文后，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。
查看图片
一旦客户端收到 DHCP ACK 后，交互便完成了，并且客户端能够在租用期内使用 DHCP 服务器分配的 IP 地址。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，客户端就会延长租期。
- 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。
查看DHCP中继代理图
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 。
因此，DHCP 服务器即使不在同一个链路上也可以实现统一分配和管理 IP 地址。
3.4 NAT
为了缓解了 IPv4 地址耗尽的问题，提出了一种网络地址转换 NAT 的方法。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。
那不是 N 个私有 IP 地址，你就要 N 个公有 IP 地址？这怎么就缓解了 IPv4 地址耗尽的问题？
普通的 NAT 转换没什么意义。由于绝大多数的网络应用都是使用传输层协议 TCP 或 UDP 来传输数据的，因此，可以把 IP 地址 + 端口号 一起进行转换。这样，就用一个全球 IP 地址就可以了，这种转换技术就叫
网络地址与端口转换 NAPT。
图中有两个客户端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同时与服务器 183.232.231.172 进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是 1025。此时，两个私有 IP 地址都转换 IP 地址为公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口号作为区分。
于是，生成一个 NAPT 路由器的转换表，就可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端 A、B 能同时与服务器之间进行通信。
这种转换表在 NAT 路由器上自动生成。例如，在 TCP 的情况下，建立 TCP 连接首次握手时的 SYN 包一经发出，就会生成这个表。而后又随着收到关闭连接时发出 FIN 包的确认应答从表中被删除。
NAT 缺点，由于 NAT/NAPT 都依赖于自己的转换表，因此会有以下的问题：
- 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。
解决的方法主要有两种方法
NAT 穿越技术拥有这样的功能，它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，注意这些都是 NAT 设备后的应用程序自动完成的。
也就是说，在 NAT 穿透技术中，NAT 设备后的应用程序处于主动地位，它已经明确地知道 NAT 设备要修改它外发的数据包，于是它主动配合 NAT 设备的操作，主动地建立好映射，这样就不像以前由 NAT 设备来建立映射了。
直白点说，就是客户端主动从 NAT 设备获取公有 IP 地址，然后自己建立端口映射条目，然后用这个条目对外通信，就不需要 NAT 设备来进行转换了。
3.5 ICMP
ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol，也就是互联网控制报文协议。
ICMP 主要的功能包括：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。
如上图例子，主机 A 向主机 B 发送了数据包，由于某种原因，途中的路由器 2 未能发现主机 B 的存在，这时，路由器 2 就会向主机 A 发送一个 ICMP 目标不可达数据包，说明发往主机 B 的包未能成功。
ICMP 的这种通知消息会使用 IP 进行发送。因此，从路由器 2 返回的 ICMP 包会按照往常的路由控制先经过路由器 1 再转发给主机 A 。收到该 ICMP 包的主机 A 则分解 ICMP 的首部和数据域以后得知具体发生问题的原因。
ICMP 大致可以分为两大类：
- 一类是用于诊断的查询消息，也就是 查询报文类型；
- 另一类是通知出错原因的错误消息，也就是
差错报文类型；
ICMP类型
3.6 IGMP
在前面知道了组播地址，也就是 D 类地址，既然是组播，那就说明是只有一组的主机能收到数据包，不在一组的主机不能收到数组包，怎么管理是否是在一组呢？那么，就需要 IGMP（Internet Group Management Protocol） 协议了。
- 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。
3.6.1 工作机制
IGMP 分为了三个版本分别是，IGMPv1、IGMPv2、IGMPv3。，以 IGMPv2 作为例子，说说常规查询与响应和离开组播组这两个工作机制。
- 路由器会周期性发送目的地址为 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 主机 3 收到这个查询，随后会启动「报告延迟计时器」，计时器的时间是随机的，通常是 0~10 秒，计时器超时后主机就会发送 IGMP 成员关系报告报文（源 IP 地址为自己主机的 IP 地址，目的 IP 地址为组播地址）。如果在定时器超时之前，收到同一个组内的其他主机发送的成员关系报告报文，则自己不再发送，这样可以减少网络中多余的 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，后续网络中一旦该组播地址的数据到达路由器，它会把数据包转发出去。
离开组播组的情况一，网段中仍有该组播组：
- 主机 1 要离开组 224.1.1.1，发送 IGMPv2 离组报文，报文的目的地址是 224.0.0.2（表示发向网段内的所有路由器）
- 路由器 收到该报文后，以 1 秒为间隔连续发送 IGMP 特定组查询报文（共计发送 2 个），以便确认该网络是否还有 224.1.1.1 组的其他成员。
- 主机 3 仍然是组 224.1.1.1 的成员，因此它立即响应这个特定组查询。路由器知道该网络中仍然存在该组播组的成员，于是继续向该网络转发 224.1.1.1 的组播数据包。
离开组播组的情况二，网段中没有该组播组：
- 主机 1 要离开组播组 224.1.1.1，发送 IGMP 离组报文。
- 路由器收到该报文后，以 1 秒为间隔连续发送 IGMP 特定组查询报文（共计发送 2 个）。此时在该网段内，组 224.1.1.1 已经没有其他成员了，因此没有主机响应这个查询。
- 一定时间后，路由器认为该网段中已经没有 224.1.1.1 组播组成员了，将不会再向这个网段转发该组播地址的数据包。
断网了，还能 ping 通 127.0.0.1 吗
127.0.0.1 和 localhost 以及 0.0.0.0 有区别吗
首先 localhost 就不叫 IP，它是一个域名，就跟 “baidu.com”,是一个形式的东西，只不过默认会把它解析为 127.0.0.1 ，当然这可以在 /etc/hosts 文件下进行修改。
所以默认情况下，使用 localhost 跟使用 127.0.0.1 确实是没区别的。
其次就是 0.0.0.0，执行 ping 0.0.0.0 ，是会失败的，因为它在 IPV4 中表示的是无效的目标地址。
但它还是很有用处的，回想下，我们启动服务器的时候，一般会 listen 一个 IP 和端口，等待客户端的连接。
如果此时 listen 的是本机的 0.0.0.0 , 那么它表示本机上的所有 IPV4 地址。
/* Address to accept any incoming messages. */
#define INADDR_ANY ((unsigned long int) 0x00000000) /* 0.0.0.0 */举个例子。刚刚提到的 127.0.0.1 和 192.168.31.6 ，都是本机的 IPV4 地址，如果监听 0.0.0.0 ，那么用上面两个地址，都能访问到这个服务器。
当然， 客户端 connect 时，不能使用 0.0.0.0 。必须指明要连接哪个服务器 IP。
总结
- 127.0.0.1 是回环地址。localhost 是域名，但默认等于 127.0.0.1。
- ping 回环地址和 ping 本机地址，是一样的，走的是 lo0 “假网卡”，都会经过网络层和数据链路层等逻辑，最后在快要出网卡前狠狠拐了个弯， 将数据插入到一个链表后就软中断通知 ksoftirqd 来进行收数据的逻辑，压根就不出网络。所以断网了也能 ping 通回环地址。
- 如果服务器 listen 的是 0.0.0.0，那么此时用 127.0.0.1 和本机地址都可以访问到服务。