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ARP协议

定义与作用
- ARP即地址解析协议，主要用于将IP地址解析为对应的MAC地址。在以太网等局域网环境中，数据链路层通信是基于MAC地址进行的，而网络层及以上通常使用IP地址来标识设备。当一台主机要向另一台主机发送数据时，它需要知道目标主机的MAC地址才能在数据链路层进行数据帧的封装和传输，ARP协议就是用来完成这种地址转换的。
工作原理
- 发送ARP请求：当主机A要向主机B发送数据，但不知道主机B的MAC地址时，主机A会在本地网络中发送一个ARP请求广播帧。这个帧包含了主机A的IP地址和MAC地址，以及目标主机B的IP地址。
- 接收与响应：网络中的所有主机都会接收到这个ARP请求，但只有目标主机B会对其进行响应。主机B发现请求中的目标IP地址与自己的IP地址匹配，就会发送一个ARP响应帧，其中包含了自己的MAC地址。
- 缓存更新：主机A接收到主机B的ARP响应后，会将主机B的IP地址和MAC地址的映射关系存储在本地的ARP缓存表中，以便后续再次与主机B通信时可以直接使用，而无需再次发送ARP请求。
应用场景
- 局域网通信：在局域网中，主机之间进行数据传输前，都需要通过ARP协议来获取目标主机的MAC地址，从而实现数据链路层的帧传输。
- 路由器转发：路由器在转发数据包时，也需要使用ARP协议来获取下一跳设备的MAC地址，以便将数据包正确地发送到下一个网络节点。

RARP协议

定义与作用
- RARP即反向地址解析协议，它的作用与ARP相反，是将MAC地址解析为IP地址。通常在无盘工作站等场景中，设备知道自己的MAC地址，但不知道自己的IP地址，需要通过RARP协议向网络中的RARP服务器请求获取IP地址。
工作原理
- 发送RARP请求：无盘工作站启动时，会通过网卡发送一个RARP请求广播帧，帧中包含了它自己的MAC地址，请求网络中的RARP服务器为其分配一个IP地址。
- 服务器响应：RARP服务器接收到RARP请求后，会在其数据库中查找与该MAC地址对应的IP地址。如果找到匹配的记录，RARP服务器就会发送一个RARP响应帧，将分配给该MAC地址的IP地址发送给无盘工作站。
- 地址配置：无盘工作站接收到RARP响应后，就会将获取到的IP地址配置到自己的网络接口上，从而可以在网络中进行通信。
应用场景
- 无盘工作站：在无盘工作站环境中，由于设备没有本地存储来保存IP地址等配置信息，需要通过RARP协议从服务器获取IP地址，以便能够连接到网络并获取启动所需的其他资源。
- 网络初始化：在一些特殊的网络环境中，设备在启动或初始化阶段可能需要通过RARP协议来获取IP地址，尤其是在那些需要集中管理和分配IP地址的场景中。

随着技术的发展，RARP协议的使用场景逐渐减少，在现代网络中，动态主机配置协议（DHCP）已经成为更常用的为设备分配IP地址的方式。

DHCP动态主机配置协议

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）动态主机配置协议是一种用于自动分配网络配置参数的网络协议，DHCP交互中，全程都是使用 UDP广播通信。

概述

DHCP基于UDP协议，工作在客户端/服务器模式下，主要用于为网络中的设备自动分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址等网络配置信息，大大简化了网络管理员对大量设备进行IP地址分配和管理的工作，提高了网络配置的效率和准确性，增强了网络的可扩展性和灵活性。

IP地址分配的工作原理

发现阶段：客户端启动后，会在本地网络中发送一个DHCP Discover广播数据包，目的是寻找网络中的DHCP服务器。该数据包包含客户端的MAC地址等标识信息，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。
提供阶段：网络中的DHCP服务器接收到DHCP Discover数据包后，会从自己的地址池中选择一个未被使用的IP地址，并将其与其他配置信息（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）一起封装在DHCP Offer数据包中，发送给客户端。这个数据包仍然是广播形式，以便客户端能够接收到。
请求阶段：客户端可能会收到多个DHCP服务器发送的DHCP Offer数据包，它通常会选择第一个收到的Offer，并向网络中发送一个DHCP Request广播数据包，表明自己选择了该服务器提供的IP地址等配置信息，同时也通知其他DHCP服务器可以收回它们提供的IP地址。
确认阶段：DHCP服务器接收到DHCP Request数据包后，会检查该请求是否合法，如果合法，就会发送一个DHCP ACK确认数据包给客户端，正式将IP地址等配置信息分配给客户端，客户端收到确认后，就可以使用分配到的IP地址等信息进行网络通信了。

地址续租的工作原理

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。

DHCP中继代理

在这里插入图片描述

主要功能

IP地址分配：这是DHCP最主要的功能，服务器可以从预先配置的地址池中动态地为客户端分配IP地址，确保每个客户端都能获得唯一且有效的IP地址。
配置参数提供：除了IP地址，DHCP服务器还可以为客户端提供子网掩码、默认网关、DNS服务器地址、域名等其他网络配置参数，使客户端能够完整地配置网络连接。
地址续租与回收：DHCP分配的IP地址通常有一定的租约期限。当租约快到期时，客户端会向服务器发送续租请求，如果服务器允许，就会延长租约；如果客户端不再需要IP地址或租约到期未续租，服务器会收回该IP地址，以便重新分配给其他客户端。

NAT原理

定义：NAT是一种将私有网络地址（如局域网内的地址）转换为公有网络地址（如互联网上的地址）的技术，使得位于私有网络中的设备能够与外部网络进行通信。
工作原理：当内部网络中的一台主机向外部网络发送数据包时，NAT设备会将数据包中的源IP地址替换为自己的公有IP地址，并记录下这个转换关系。当外部网络中的设备响应数据包时，NAT设备再根据记录的转换关系，将目标IP地址转换回内部主机的私有IP地址，从而实现内外网之间的通信。

NAPT原理

定义：NAPT是NAT的一种扩展，也称为端口地址转换或PAT。它不仅转换IP地址，还转换端口号，使得多个内部主机可以通过同一个公有IP地址和不同的端口号来与外部网络进行通信。
工作原理：NAPT设备在进行地址转换时，会将内部主机的源IP地址和源端口号转换为公有IP地址和一个不同的端口号，并记录下这个转换关系。当外部网络中的设备响应数据包时，NAPT设备根据目标端口号和记录的转换关系，将数据包转发到相应的内部主机。

NAT/NAPT缺点

缺点
- 增加了复杂性：NAPT需要同时管理IP地址和端口号的转换，相比NAT，其配置和管理更为复杂。转换表的生成与转换操作都会产生性能开销。
- 可能导致端口冲突：如果内部网络中有多个应用程序使用了相同的端口号，在经过NAPT转换后，可能会导致端口冲突，影响应用程序的正常运行。不过，这种情况可以通过合理规划内部网络的端口使用来避免。
- 对某些特殊应用的兼容性问题：和NAT类似，一些特殊的应用程序可能无法在NAPT环境下正常工作，需要进行特殊的配置或使用穿透技术来解决。
- 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。
- 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。

NAT 穿透技术

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。
说人话，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。