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:
    在这里插入图片描述

  • 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在这里插入图片描述
      • 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
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THE END
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