IP协议、IP数据报格式、DNS、DNS劫持、NAT网络地址转换

╰半夏微凉° 2022-11-24 15:26 260阅读 0赞

## 一、IP协议 ##

#### 1.1 背景 ####

网络层一般有两种服务：

1.  一种是面向连接的虚电路服务，能够保证可靠通信，建立虚电路连接，然后通过这个连接发送分组，完了后释放虚电路。
2.  另一种是无连接的数据包服务，走什么路经都随便，但是为了到达目的地必须携带目的主机的地址，虽然如此，发送的分组还是可能误码、丢失、重复或者乱序。

因为第二种做法不用提供可靠传输服务，网络中的路由器就比较价格低，而且易于维护，因特网采用的就是这种服务，它采用的就是IP协议。

这种服务的好处是节省成本，那么**复杂的网络处理功能都交给了更上一层的运输层**，他们的位置在各个主机，是处于整个互联网的边缘，那么中间的因特网核心就只用完成简单的分组交换功能。IP协议之上，要保证传输可靠，就有了TCP协议。

#### 1.2 IP协议 ####

**IP协议（Internet Protocol）直译网际协议**。对上是传输层，对下是数据链路层。IP协议就是给因特网上的每一个主机/路由器的接口分配全世界范围内唯一的标识符，就是地址。

这里需要区别MAC地址和IP地地址。关于MAC地址，也就是媒体介入控制地址，他也是唯一的，但是他是针对于设备-设备，而异构网络很复杂，IP协议是解决网络和网络之间的通信，加上小的网络内部划分可能就没必要更多的协议来通信，就更加方便。

目前IP协议的地址有IPv4和IPv6两个版本，在2011年，IPv4地址已经分配完毕了。IPv4的地址编址方法经历了**三个阶段，分类编址、划分子网、无分类编址。**

##### 1.2.1 分类编址 #####

分了ABCDE，只有ABC给网络中的各设备接口用，D和E是保留不往外分配的。基本是都是前几位网络号、后面分配，然后就有很多的不同IP地址的组合可以用。

*  A：8位网络号+24主机号，网络号首位固定为0
 *  B：16位网络号+16位主机号，网络号前两位固定10
 *  C：24位网络号+8位主机号，网络号前两位笃定110

A类指派范围：1.0.0.0到126.0.0.0  
B类指派范围：128.0.0.0到191.255.0.0  
C类指派范围：192.0.0.0到223.255.255.0

##### 1.2.2 划分子网 #####

引入**子网掩码**，可以表明分类的IP地址有哪几个作为了子网号，这样本来后面全都是IP的号，就可以继续利用子网掩码再进行细分。子网掩码用连续的1来对应网络号和子网号，0对应主机号，然后子网掩码和IP地址相与操作就可以得到这个IPv4的地址所在的子网的网络地址。

##### 1.2.3 无分类编址 #####

C类空间太小，没有得到充分利用，后来又提出了**无分类编址**（当然也提出了IPv6）来解决问题。无分类编址采用：

> **网络地址 + " / " + 网络前缀数量**

的格式，比如”128.14.35.7 / 20“  
就代表，这个IP地址，前面20位都是网络号，剩下12位是主机号，这样的话就能把整个IP地址分的更多，而不是分各种类别，各个块里限制的比较死。

## 二、IP数据报首部格式 ##

#### 2.1 IP数据报首部字段 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjA5Mjc4Nw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

和其他协议的报文首部格式一样，IP协议的功能也在这里体现。

1.  **版本**：表示Ip协议的版本，通信双方必须一致；
2.  **首部长度**：表示这个数据报首部的长度，显然范围就是5-15（以8字节为单位，化成比特\*8）
3.  区分服务：一半不用；
4.  **总长度**：IP数据报整体长度（最大2^16-1）；
5.  **标识、标志、片偏移**：**这三个就是用来将IP数据报分片用的，因为向下层的时候可能太长，下层的传输帧受到MTU最大传输单元限制，就是会把IP数据报分片，那么就会查看这三个字段，表示分片的情况；**
    
    1.  **标识**：同一个IP数据报各分片的标识一样；
    2.  **标志**：标志允不允许分片、后面还有没有分片；
    3.  **片偏移**：分片数据报的数据载荷部分偏移了在原数据报位置有多少单位（8字节为单位，必须整数）
6.  **生存时间**：TTL，以前表示多少秒、现在表示多少”跳“；
7.  **协议**：常用值对应一个数字，比如ICMP对应1；
8.  首部检验和：检验差错的；
9.  **源IP地址**；
10. **目的IP地址**；
11. 可选字段：很少使用；
12. 填充：因为要是8的整数倍，不够就填。

#### 2.2 ICMP协议 ####

**网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol）**

这个协议是为了更有效地转发IP数据报，提高交付成功的机会。主机或者路由器使用ICMP协议发送差错报文和询问报文，ICMP报文被封装在IP数据报里发送。

差错报文分为五种：1.终点不可达；2.源点抑制；3.时间超过；4.参数问题；5.改变路由。（都是目的主机或路由器反馈给源主机或路由器的）

询问报文有两种：1.回送请求和回答；2.时间戳请求和回答。（都是源主机或者路由器向目的主机或路由器的）

#### 2.3 ICMP协议应用 ####

**分组网间探测（Packet InterNet Groper）也就是，常说的PING命令**。这个命令没有经过运输层的TCP或者UDP，直接使用了网际层的ICMP，来发送请求和回答报文。用来测试主机或者路由器的连通性。

**跟踪路由TraceRoute命令，比如windows的tracert命令**。这个命令也是应用层直接使用了网际层的ICMP协议（Unix系统并是使用了UDP协议），发送请求和回答报文以及差错报告报文，用来测试IP数据报从源主机到目的主机要经过哪些路由器。

#### 2.4 其他 ####

关于IP数据报的转发，主要是设计到路由器的一些路由选择协议、ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议，根据IP获取MAC地址的过程。其中直接交付、间接交付的区别就是有没有经过路由器转发，路由器可以隔离冲突域、广播域等等。

## 三、NAT网络地址转换 ##

**NAT英文全称是“Network Address Translation”**，中文意思是“网络地址转换”，是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术。NAT 可以让那些使用私有地址的内部网络连接到Internet或其它IP网络上。NAT路由器在将内部网络的数据包发送到公用网络时，在IP包的报头把私有地址转换成合法的IP地址。

ipv4本来都要用光了，但是有了NAT，让ipv4又挺了20年。

#### 3.1 原理 ####

RFC1918规定了三个保留地址段落：10.0.0.0-10.255.255.255；172.16.0.0-172.31.255.255；192.168.0.0-192.168.255.255。这三个范围分别处于A,B,C类的地址段，不向特定的用户分配。

这些地址可以在任何组织或企业内部使用，和其他Internet地址的区别就是，仅能在内部使用，不能作为全球路由地址。对于一个封闭的组织，如果其**网络不连接到Internet，就可以使用这些地址，而不用申请**。

对于有Internet访问需求、内部又使用私有地址的网络，就要在组织的出口位置部署NAT网关，在报文离开私网进入Internet时，将源IP替换为公网地址，通常是出口设备的接口地址。依据这种模型，NAT网关夹在中间做一个转换，数量庞大的内网主机就不再需要公有IP地址了。

一般使用私网ip作为局域网内部的主机标识，使用公网ip作为互联网上通信的标识，在整个NAT的转换中，最关键的流程有以下几点：

*  网络被分为私网和公网两个部分，NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置，双向流量必须都要经过NAT网关
 *  网络访问只能先由私网侧发起，公网无法主动访问私网主机；
 *  NAT网关在两个访问方向上完成两次地址的转换或翻译，出方向做源信息替换，入方向做目的信息替换；
 *  NAT网关的存在对通信双方是保持透明的；
 *  NAT网关为了实现双向翻译的功能，需要维护一张关联表，把会话的信息保存下来。

#### 3.2 静态NAT ####

如果一个内部主机唯一占用一个公网IP，这种方式被称为一对一模型。此种方式下，转换上层协议就是不必要的，因为一个公网IP就能唯一对应一个内部主机。

显然，这种方式对节约公网IP没有太大意义，主要是为了实现一些特殊的组网需求。比如用户希望隐藏内部主机的真实IP，或者实现两个IP地址重叠网络的通信。

#### 3.3 动态NAT ####

它能够将未注册的IP地址映射到注册IP地址池中的一个地址。

不像使用静态NAT那样，你无需静态地配置路由器，使其将每个内部地址映射到一个外部地址，但必须有足够的公有因特网IP地址，让连接到因特网的主机都能够同时发送和接收分组

#### 3.4 NAT重载 ####

这是最常用的NAT类型。NAT重载也是动态NAT，它利用源端口将多个私网ip地址映射到一个公网ip地址，它也被称为网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）（Port-Level NAT）（多对一）。

通过使用PAT(NAT重载)，只需使用一个公网ip地址，就可将数千名用户连接到因特网。其核心之处就在于利用端口号实现公网和私网的转换。  
面对私网内部数量庞大的主机，如果NAT只进行IP地址的简单替换，就会产生一个问题：当有多个内部主机去访问同一个服务器时，从返回的信息不足以区分响应应该转发到哪个内部主机。  
此时，需要NAT设备根据传输层信息或其他上层协议去区分不同的会话，并且可能要对上层协议的标识进行转换，比如TCP或UDP端口号。

这样NAT网关就可以将不同的内部连接访问映射到同一公网IP的不同传输层端口，通过这种方式实现公网IP的复用和解复用。

这种方式也被称为端口转换PAT、NAPT或IP伪装，但更多时候直接被称为NAT，因为它是最典型的一种应用模式。

也就是说，我们利用端口号的唯一性实现了公网ip转换为私网ip的这一步。PAT（NAT重载）能够使用传输层端口号来标识主机，因此，从理论上说，最多可让大约65000台主机共用一个公有IP地址。

#### 3.5 NAT优缺点 ####

**优点**：

最大优点就是节省大量的IP资源

**缺点**：

NAT最大的弊端，破坏了IP端到端通信的能力，因此无法进行端到端的ip跟踪。

同时，NAT实现了对UDP或TCP报文头中的的IP地址及端口转换功能，但有些应用层的协议比如FTP载荷中带有地址或者端口信息，这些内容不能被NAT进行有效的转换，就可能导致问题。

## 四、DNS ##

#### 4.1 介绍 ####

**DNS（Domain Name System）域名系统**

我们知道计算机之间的通信，其实都是基于IP地址的，可是我们访问的时候往往使用的网址髌骨是ip地址，这是因为IP地址太难记了啊！

那么输入网址如何访问IP，其实就是DNS服务器在帮助我们做地址解析。

因特网采用的是层次结构命名树作为域名，各层分量用点隔开，总共组成一个域名。格式如下：

> **xxx . 三级域名 . 二级域名 . 顶级域名**

各级的域名是由上一级管理机构管理，顶级域名则由一个机构：因特网名称与数字地址分配机构ICANN管理。

*  国家顶级域名例如 cn 中国，us 美国，通用顶级域名例如com公司企业、net网络服务机构、org非营利性组织；
 *  二级域名例如edu教育机构，行政区划分域名；
 *  再往下都是自由发挥，因特网没有做规定。

#### 4.2 域名服务器解析域名的过程 ####

用来解析域名的域名服务器也可以划分为四种类型：

1.  根域名服务器；
2.  顶级域名服务器；
3.  权限域名服务器；
4.  本地域名服务器。

本来每次访问一个域名，都需要依次查询，但是为了效率，利用了缓存来解决这个问题， 浏览器、操作系统、本地DNS、根域名服务器，它们都会对DNS结果做一定程度的缓存。所以实际上的过程并不是直接那些服务器工作的。

比如：如果我现在要访问 www.baidu.com ，那么过程是这样的：

1.  浏览器从浏览器的DNS缓存中检查是否有这个网址的映射关系，如果有，就返回IP，完成域名解析，没有则转向2；
2.  操作系统会先检查自己本地的hosts文件是否有这个网址的映射关系，如果有，就返回IP，完成域名解析，没有则转向3；
3.  电脑就要向本地DNS服务器发起请求查询www.baidu.com这个域名，如果缓存中有的话直接返回，没有则转向4；
4.  本地DNS服务器，拿出一个根DNS服务器的地址，然后向其中一台发起请求；
5.  根DNS服务器拿到请求，查出一个IP，也就是com对应的服务器的IP，返回给本地DNS服务器；
6.  本地DNS服务器根据返回的IP向其发起请求；
7.  com的服务器拿到请求，查出一个IP，也就是baidu.com对应的服务器的IP，返回给本地DNS服务器；
8.  本地DNS服务器根据返回的IP向其发起请求；
9.  baidu.com的服务器拿到请求，查出www.baidu.com的IP地址，返回给本地DNS服务器；
10. 本地DNS服务器给客户端，并进行缓存，客户端就可以直接访问了。

其中，显然**1、2、3，都是缓存直接优先查找**，交给下一级操作，找到了就直接返回，主机到本地域名服务器的查询过程，采用的是**递归查询**；  
**4 5，6 7，8 9是三个来回过程**，本地向不同级别的其他服务器查找的过程，都是本地服务器发出的请求，是**迭代查询**。

> Windows的命令：  
> ipconfig/displaydns －查看被缓存的域名解析  
> ipconfig/flushdns －清空DNS缓存

**问题：根服务器在哪里?**

按照百度百科的说法是原有的13台加上为ipv6新建的25台，在世界各地选址的。

#### 4.3 DNS 劫持 ####

显然，域名和IP的对应过程是一个DNS解析过程，那么解析的服务器本人是可能被绑架的。

攻击者**劫持了DNS服务器**，通过某些手段取得某域名的解析记录控制权，进而**修改此域名的解析结果**，导致用户对该域名地址进行访问的时候，由原来的IP地址转入到修改后的IP地址。结果就是让正确的网址不能解析或者是被解析到另一个网址的IP，实现获取用户资料或者破坏原有网址正常服务的目的。

#### 4.4 DNS 污染 ####

又称**域名服务器缓存投毒**，是指一些刻意制造或无意中制造出来的域名服务器数据包，把域名指往不正确的IP地址。它和DNS劫持的不同之处，在于**污染针对的是DNS缓存，是在查询信息到达目标DNS服务器前，经过的节点上做手脚**，也就是说，这个假的数据包并不是在网络数据包经过的路由器上，而是在其旁路产生的，因为是UDP协议，最快返回的会被认为是答案，那么最后会先返回一个错误答案。

> 需要说明的是，传统来理解，这个查询过程需要快速，并且可能要访问很多个服务器去查询，所以是采用UDP协议进行传输的，比TCP快。  
>   
> 但也不一定，比如报文长度和DNS污染各种各样的攻击出现，UDP的不可靠因素太大，所以加上了TLS版本（像https一样），所以其实是基于TCP协议了。

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