解密网络通信的关键技术（上）：DNS、ARP、DHCP和NAT，你了解多少？

IP 协议相关技术

在与 IP 协议相关的技术中，有一些重要且常见的技术，其中包括 DNS 域名解析、ARP 协议、DHCP 动态获取 IP 地址以及NAT 网络地址转换。这些技术在网络通信中起着关键的作用。

首先，DNS 域名解析是将人类可读的域名转换为 IP 地址的过程。当我们在浏览器中输入一个网址时，浏览器会向 DNS 服务器发送查询请求，以获取与该域名对应的 IP 地址。这个过程涉及到域名服务器的层级查询和缓存，以实现高效的域名解析。

其次，ARP（地址解析协议）是在局域网中解析 IP 地址与 MAC 地址之间对应关系的协议。当一台主机需要与另一台主机通信时，它会发送一个 ARP 请求广播，其中包含了想要知道的目标主机的 IP 地址。同一局域网中的其他设备会解析该 ARP 请求包，如果目标 IP 地址与自身 IP 地址一致，就会将自己的 MAC 地址添加到 ARP 响应包中，返回给发送方。操作系统通常会将第一次获取的 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，提高通信效率。

DNS

我们在上网时通常使用域名而不是IP地址，因为域名更容易记忆。这种技术的实现是通过DNS域名解析，DNS可以将域名自动转换为具体的IP地址。

在DNS中，域名使用句点进行分隔，例如www.server.com， 句点表示不同层次之间的界限。在域名中，靠右的位置表示层级越高。

由于域名是由外国人发明的，所以思维方式与中国人不同。例如，在表示一个城市地点时，外国人喜欢按从小到大的顺序（例如XX街道 XX区 XX市 XX省），而中国人喜欢按从大到小的顺序（例如XX省 XX市 XX区 XX街道）。根域位于最顶层，下一层是顶级域com，再下面是server.com。

因此，域名的层级关系类似于树状结构：

• 根DNS服务器
• 顶级域DNS服务器（com）
• 权威DNS服务器（server.com）

在互联网中，根域的 DNS 服务器信息被广泛保存在所有 DNS 服务器中，这样任何一个 DNS 服务器都能够轻松地找到并访问根域 DNS 服务器。客户端只需连接到任意一台可用的 DNS 服务器，就能够通过这台服务器找到根域 DNS 服务器，并通过一系列的查询和响应，逐步找到位于下层的目标 DNS 服务器。这种分层的 DNS 服务器体系极大地提高了域名解析的效率和可靠性。

域名解析的工作流程可以描述如下：

首先，浏览器会检查自己的缓存中是否存有所请求域名的IP地址，如果存在则直接使用。如果缓存中没有，则浏览器会向操作系统的缓存请求，如果操作系统的缓存中存在，则返回给浏览器。如果操作系统的缓存中也没有，则浏览器会检查本机的域名解析文件 hosts，如果 hosts 文件中有对应的域名和IP映射关系，则返回给浏览器。

如果以上步骤都没有返回结果，浏览器会通过网络发送DNS请求到本地DNS服务器（也就是在TCP/IP设置中配置的DNS服务器地址）。

1. 客户端发送DNS请求到本地DNS服务器，询问所需域名的IP地址，例如www.server.com。
2. 本地DNS服务器接收到客户端的请求后，先在自己的缓存中查找是否存在对应的IP地址记录，如果有，则直接返回给客户端。
3. 如果本地DNS服务器的缓存中没有所需的IP地址记录，它会向根域名服务器发送请求，询问该域名的顶级域名服务器的地址，例如.com顶级域名服务器的地址。
4. 根域名服务器收到本地DNS服务器的请求后，发现该域名属于.com顶级域名，返回给本地DNS服务器.com顶级域名服务器的地址。
5. 本地DNS服务器收到.com顶级域名服务器的地址后，向该顶级域名服务器发送请求，询问所需域名的权威DNS服务器的地址，即负责解析该域名的权威DNS服务器地址。
6. 顶级域名服务器返回给本地DNS服务器所需域名的权威DNS服务器的地址。
7. 本地DNS服务器向权威DNS服务器发送请求，询问所需域名的IP地址。
8. 权威DNS服务器查询自己的记录，并将所需域名对应的IP地址返回给本地DNS服务器。
9. 本地DNS服务器将IP地址返回给客户端。客户端使用获取到的IP地址与目标服务器建立连接。

至此，经过详细的解析过程，我们成功完成了 DNS 的解析过程。现在，让我来对整个过程进行总结，并将其以图示的方式呈现出来。

DNS（Domain Name System）域名解析的过程非常有趣，它与我们在日常生活中询问路线的过程非常相似，它只是为我们指引方向，而不是亲自带路。

需要注意的是，当我们申请域名时，并没有带上"www"前缀。这个前缀是在域名服务商的后台进行配置的。如果你不进行配置，域名是不会指向你自己的服务器的。此外，你还可以配置多种不同的前缀，以访问不同的服务。并不是更改前缀就需要再次申请一个新的域名。一旦在域名平台购买了域名，通常需要自行进行配置，具体步骤如下：

ARP

在传输一个 IP 数据报的时候，一旦源 IP 地址和目标 IP 地址确定，主机会通过查询「路由表」来确定 IP 数据包的下一跳。然而，网络层的下一层是数据链路层，因此我们还需要知道下一跳的 MAC 地址。主机的路由表中可以找到下一跳的 IP 地址，因此我们可以利用 ARP 协议来获取下一跳的 MAC 地址。

那么，ARP 是如何获取对方的 MAC 地址呢？

简言之，ARP 使用 ARP 请求和 ARP 响应这两种类型的数据包来获取对方的 MAC 地址。

在网络中，当主机需要与其他设备通信时，它会发送一个ARP请求。这个请求包含了主机想要知道的目标设备的MAC地址和对应的IP地址。当同一链路上的设备收到ARP请求后，会检查请求包中的目标IP地址是否与自己的IP地址匹配。如果匹配，该设备将自己的MAC地址放入ARP响应包中返回给主机。

为了提高效率，操作系统通常会将第一次获取到的MAC地址缓存起来，以便下次直接从缓存中获取对应IP地址的MAC地址。这样就不需要再发送ARP请求来获取MAC地址，从而节省了网络资源和时间。

总结

在与IP协议相关的技术中，存在一些非常重要且常见的技术。在本章节中，我们将主要讨论DNS域名解析以及ARP协议，这些技术在网络通信中扮演着关键的角色。

首先，DNS域名解析是将人类可读的域名转换为IP地址的过程。它采用了分层的域名服务器体系，以实现高效的域名解析。

其次，ARP（地址解析协议）用于在局域网中解析IP地址与MAC地址之间的对应关系，以获取下一跳的MAC地址。

在接下来的章节中，我们将详细讲解DHCP动态获取IP地址以及NAT网络地址转换技术。这些技术对于网络通信的顺利进行也具有重要的意义。