简介

网络协议

• 网络协议泛指计算机之间进行通信时需要遵守的规则。
• 网络协议有很多种，用途也不同。例如：网络层的 ARP 协议常用于主机寻址，应用层的 HTTP 协议常用于 Web 服务。

服务器

：指网络中的某些主机，可以为其它主机提供某种服务。

• 服务器通常要保持运行，以持续提供服务。
• 不同用途的服务器通常采用不同的通信协议，比如采用 FTP 协议时，称为 FTP 服务器。

服务器常见的几种工作模式：

• 客户端/服务器模式（Client/Server ，C/S）

  • 运行一个或多个主机作为服务器，再运行一个或多个主机作为客户端。
  • 客户端连接到服务器之后，便可以享受其提供的服务、功能。

• 浏览器/服务器模式（Browser/Server ，B/S）

  • 属于 C/S 模式。使用特制的浏览器软件作为客户端，例如 Web 浏览器。

• 点对点（Peer to Peer ，P2P）

  • 两个主机之间通信时身份对等，有相同的能力，而不区分服务器、客户端。
  • 大量 P2P 主机可组成 P2P 网络。与 C/S 网络相比，没有主机专门担任服务器，去中心化。
  • 线上到线下（Online to Offline ，O2O）的名字与 P2P 相似，但概念不同。

ARP

：地址解析协议（Address Resolution Protocol），用于根据主机的 IP 地址查询到主机的 MAC 地址，常用于局域网的主机寻址。

• 属于网络层协议。

• 假设主机 A 的 IP 为 10.0.0.1 ，想发送以太网帧给 IP 为 10.0.0.2 的主机 B ，则需要查询主机 B 的 Mac 地址，流程如下：

  1. 主机 A 在子网内广播一个 ARP request 包，询问 10.0.0.2 对应的 Mac 地址是什么。
  • 该 ARP 包中记录了主机 A 这个发送方的 IP 地址、Mac 地址。
  • 该 ARP 包封装在以太网帧里，帧头中的目标 Mac 地址填的是 0xffffffff ，表示广播给子网内的所有主机。
  2. 主机 B 收到 ARP request 包，发现询问的 IP 10.0.0.2 是自己网卡绑定的 IP ，于是回复一个 ARP response 包，说明 10.0.0.2 对应的 Mac 地址是什么。
  • 该 ARP 包封装在以太网帧里，帧头中的目标 Mac 地址填的是主机 A 的 Mac 地址。
  • 如果主机 A 一直未收到 ARP response 包，可能是因为当前子网的其它主机未使用该 IP 。
  3. 然后，主机 A 与主机 B 知道了双方的 Mac 地址，便可相互发送以太网帧进行通信。

• 每个主机启动时，会建立一个 ARP 缓存表，记录当前子网内一些 IP 地址及其对应的 Mac 地址。

  • 发送以太网帧给一个 IP 地址时，如果该 IP 已有 ARP 缓存，则使用缓存的 Mac 地址，不必广播 ARP request 包。
  • Linux 系统默认将每条 ARP 记录缓存几十秒就删除。
  • 用户可添加静态 ARP 记录，将某个 IP 固定解析到某个 Mac 地址。主机重启时，所有 ARP 缓存都会删除。

• 相关协议：

  • Reverse ARP
    • ：反向地址解析协议。局域网的一些主机可能尚未分配 IP ，可发送 RARP 请求到 RARP 服务器，根据当前主机的 MAC 地址，申请分配一个 IP 地址。
    • 该协议已被 DHCP 协议取代。
  • Proxy ARP
    • ：允许一个主机代替其它主机回复 ARP response 包。常用于路由器、NAT 网关。
    • 假设主机 A 发出 ARP request 包，询问主机 B 的 Mac 地址。主机 C 收到 ARP request 包时，回复 ARP response 包，填入主机 C 的 Mac 地址，使得主机 A 将以太网帧发送到主机 C ，然后主机 C 再转发给主机 B 。
  • Gratuitous ARP
    • ：允许一个主机在局域网内广播，说明自己的 IP 地址、Mac 地址是什么。
    • 假设主机 B 的 IP 地址或 Mac 地址变化了，
      • 只使用 ARP 协议时，其它主机不会立即知道，要等 ARP 缓存过期，才会重新查询主机 B 的 Mac 地址。
      • 使用 GARP 协议，主机 B 可以主动广播自己的变化，立即影响其它主机。

• 如果局域网一台主机被入侵，则可能对其它主机进行 ARP 攻击：

  • ARP DOS 攻击：攻击者发送大量 ARP 包，对目标主机造成严重负载，比如使得 ARP 缓存表过大、网络通信过多。
  • ARP 欺骗攻击：攻击者回复 ARP response 包，将一些 IP 解析到攻击者的 Mac 地址，从而接收发向这些 IP 的数据包，进行窃听、篡改。

ICMP

：因特网控制报文协议（Internet Control Messages Protocol），用于测试网络是否连通、网络延迟。

• 属于网络层协议，是 IP 协议的一部分，基于 IP 协议寻址。
• 原理：
  • 向目标主机发送一个 ICMP 报文，根据收到回复的时间间隔就可以知道通信延迟。
    • ICMP 报文的头部中，用 1 个字节记录该报文剩下的生存时间（Time To Live ，TTL）。
    • ICMP 报文每经过一跳路由器，TTL 的值就会被减一，当 TTL 为零时路由器就会丢弃该报文。
  • 如果没收到回复，则原因可能是：
    • 网络不连通
    • 目标主机不允许 ICMP 通信

DHCP

：动态主机配置协议，用于给一些主机动态分配 IP 地址，广泛应用于企业单位的局域网中。

• 属于应用层协议，基于 UDP 通信。

• IP 地址的分配方法分为静态和动态两种。手动配置主机的 IP 就属于静态分配。

• 客户端使用 DHCP 服务的过程分为以下四步：（此时客户端与服务器通过 UDP 协议通信，一般使用受限广播报文）

  1. Request ：客户端广播 discover 报文。
  2. Reply ：服务器收到 discover 报文后会广播 offer 报文，包括准备分配的 IP 地址、默认网关等信息。
  3. Request ：客户端收到 offer 报文后就广播 request 报文，表示请求使用这个 IP 地址。
  4. Reply ：服务器收到 request 报文后就广播 ack 报文即确认报文，将 IP 地址分配给客户端。

• DHCP 服务器的主要配置内容：

  • 作用域：指 DHCP 服务器所管理的 IP 地址的范围，通常为一个连续网段。
  • 排除范围：指作用域内一些不被 DHCP 服务器分配的 IP 地址。
  • 地址池：作用域内排除掉不分配的 IP 地址，剩下的就是地址池。
  • 租约：客户端只能租用 IP 地址一段时间。

• 如果主机请求 DHCP 服务超时，则可以为自己分配 169.254.0.0/16 子网下的一个随机 IP 。

  • 这称为链接本地地址（Link-Local Address），是一种 B 类私有地址，只能在内网使用。
  • 主机给自己分配 IP 时，需要通过 ARP 协议检查该 IP 在当前内网是否已被使用。
  • 如果一个内网没有 DHCP 服务器，则可以让每个主机使用 Link-Local Address 地址相互通信。

NAT

：网络地址转换（Network Address Translation）。用于在两个网络之间通信时，将来自前一个网络的 IP 转换成后一个网络的有效 IP 。

• 常见用途：
  • DNAT（Destination NAT）：当 NAT 网关收到公网发来的 IP 包时，将 IP 包中的目的 IP 从公网 IP 转换成私网 IP ，然后转发给对应的私网主机。
  • SNAT（Source NAT）：当 NAT 网关收到私网主机向公网发送的 IP 包时，将 IP 包中的源 IP 地址从私网 IP 转换成公网 IP ，然后转发到公网。
• NAT 网关一般是一台服务器，工作在网络层（与 proxy 不同）。
  • NAT 网关内至少有两张网卡，分别连接私网和公网。
  • NAT 网关一般给私网内的主机分配 10.0.0.0、172.16.0.0、192.168.0.0 三种范围的私有网络地址，并保存一些可用的公网 IP 地址。
  • NAT 网关上维护了一张 NAT 表，记录了每个私网 IP 与公网 IP 的转换关系。如果经过 NAT 网关的 IP 包中的 IP 地址不在 NAT 表中，就丢弃该报文。
• NAT 网关的分类：
  • 静态 NAT(Static NAT)：NAT 表事先写好，不再变化。这样可以直接实现 DNAT 。
  • 动态地址 NAT(Pooled NAT)：NAT 表可以动态变化。这样不能实现 DNAT 。
  • 端口多路复用（Port Address Translation ，PAT）：所有私网主机共用一个外网 IP ，只是连接到 NAT 网关的不同端口上。NAT 网关与公网通信时，使用的不同端口号代表了不同的私网主机，转换 IP 包中的 IP 地址和端口号。