前端网络预科 - 预备知识

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前端网络预科 - 预备知识

在网络包发送之前，我们是必须知道接收方的IP地址以及MAC地址。所以在本篇当中，我们主要解决两个问题：

1. 如何知道接受方的 IP 地址？（DNS）
2. 如何知道接收方的 MAC 地址？（ARP）

我们知道 IP 是 32 位的二进制数字，为了让人方便记忆和使用，我们每八位隔开并将其转化为十进制数字。即便是这样的数字，记个一两个还是可以接受的；倘若记个10个以上的IP地址，这应该算是一种折磨了吧。所以在 1983 年保罗·莫卡派乔斯发明了域名以及域名的周边服务。

域名比IP更容易记忆，本质上只是为 IP 提供了易于记忆的别名，就好像我们的通讯录中的映射关系，域名就好像通讯录中的朋友的姓名，而电话号码就好像IP一样。

单凭一个别名是无法访问到正确的地址，只有能够域名解析成实际的网络地址，才能访问成功。而解析这项工作则有 域名系统 （DNS - Domain Name System）完成。

那DNS的解析流程是怎么样的呢？

在客户端中输入域名(www.domain.unknow.com)的时候，客户端会请求最近的一台 DNS 服务器（也就是你电脑上网络设置中填写的DNS服务器的IP地址），由于最近的 DNS 服务器并没存放域名对应IP的信息，所以就开始从顶层向下查找。首先去根域 DNS 服务器下查看，明显根域并没有对应的信息，但根据域名结构可以判断，这个域名属于 com 域，因此根域返回 com 域的DNS服务器的 IP地址给最近的DNS服务器。然后最近的DNS服务器，开始给com域的DNS服务器发送查询请求。但com域的DNS服务器同样没有对应的信息，同样根据域名结构给出来 unknow.com 域下的DNS 服务器IP地址。同样的最近的DNS服务器再次请求，以此类推多次请求过后，最终是可以找到目标DNS服务器，然后向目标DNS发送请求，即可获得对应的IP地址了。

在某篇博客看到了这样的例子，讲述解析过程蛮形象的，所以引用了下来：

假设北京市设立了一个专门的「道路咨询局」，里面设置了局长、部长、处长、科员好几个级别的公务员，不同的部门、科室、人员负责解答不同区域的道路问题。这里的人都有一个共同特点，信奉「好记性不如烂笔头」的哲理，喜欢将自己了解到的信息记录到笔记本上。但是有一点遗憾的是，他们写字用的墨水只有一种，叫「魔术墨水」，初写字迹浓厚，之后会慢慢变淡，1 小时之后则会完全消失。道路咨询局门口还有一个门卫大爷，所有的人要问路都需要通过他来传达和回复，市民并不能进入办公楼。

如果市民 A 先生来找门卫大爷询问「北海公园」的地址，门卫大爷会先看一下自己的笔记本，找找看之前有没有人问过北海公园，如果没有，他就会拨打内线去找局长求助。局长说北海是西城区，你去问负责西城区道路信息的赵部长吧。门卫大爷又去问赵部长，赵部长查了一下，说这个地址你去问负责核心区的钱处长吧。门卫大爷又给钱处长打过去电话，钱处长说这个地址我也不掌握啊，你去问一下负责景山片区的科员小孙吧。门卫大爷从小孙那里终于知道了北海公园地址，他赶紧记到自己的小本本上，然后把结果告诉了市民 A 先生。接下来一小时内，如果还有市民 B 先生再来问北海公园的话，门卫大爷就直接用笔记本上记载的结果回复了。当然，如果市民 C 女士过来问别的地址的话，门卫大爷就要把处理 A 先生问询的流程再走一遍了。

从例子中我们也能看出为了优化整个流程效率，从访问节点起经过解析DNS请求的节点，这些节点都会将解析结果记录下来，用TTL（Time To Live）标记缓存时间。也就是在 TTL 时间之内，下一次继续解析记录在案的域名，对应缓存节点直接把域名对应的信息返回给请求方，一旦 TTL 时间到了则开始上述的请求。

在解析流程部分提及了域名结构，那么一个域名的结构是怎么样的呢？

# 主机名.次域名.顶级域名.根域名
# www.domain.unknow.com.root

当然你同样可以实践一下，查看某个域名背后解析路径是否遵循上述描述，请命令行执行：

dig +trace <domain_name>

现在我们已经获取到了目标服务器的IP地址了，但是请求包中还差一个目标服务器的MAC地址，而这个地址如何获取呢？—— ARP （Address Resolution Protocol）。

ARP 的工作原理是什么样的呢？

在局域网中，本机发送以广播的形式发送ARP请求包，而包中的信息大概是：「请IP为xxx的机器告诉我你的MAC地址，署名我的IP：xxx，MAC：XXX」。然后交换机或是WIFI设备接受到了广播包，将其发送给局域网内的所有机器，接收到了请求包的机器拆开看IP不是本机IP就丢弃了请求包，唯独请求包中的目标IP与本机IP相同的机器，开始定向向发送方发送ARP响应包，发送方一旦接受到ARP响应包，则写入本机的ARP缓存表中。

上述是同网段请求MAC地址，可我们日常生活中需要知道的是跨网段IP的MAC地址。

这种情况下，ARP请求包会转发给网关，然后网关将自身的MAC地址回复给请求方，而自身同样同个广播ARP请求包形式去获取对应IP的MAC地址，最终请求方存储在自身机器上的ARP缓存表是网段网关地址的MAC地址。

你可以通过如下命令去查看机器的ARP缓存表信息：

arp -a

到了这里，我们终于知道了汇聚了构建请求包的必要条件：目标IP地址和MAC地址。接下来就开始创建TCP连接。

参考文献

1. 网络是怎样连接的
2. 域名背后那些事
3. 图解ARP协议（一）