网络协议分析：从PPP到DNS的全面解析
网络协议分析：从PPP到DNS的全面解析
网络协议分析是理解计算机网络通信的基础，本文将从多个维度深入探讨各种网络协议的原理和应用。从PPP、ARP到移动IP，从HTTP到电子邮件系统，再到DNS，这些协议构成了现代互联网通信的核心框架。
网络协议分析概述
Internet是一个"网络之网络"（Network of Networks），其异构网络互联技术由Vinton Cerf提出，每个网络内部使用各自的通信协议，而网络间通信则统一使用TCP/IP协议族。
用IP实现异构网络互联
在实际操作层面，网络互联主要通过路由器实现。下图展示了Internet的基本构成：
TCP/IP协议族的引入简化了网络通信问题，通过分层设计使得各类应用得以构建。
网络协议的分层
网络协议的分层设计将复杂问题分解为若干局部问题。这一思想最早在ARPANET设计中提出，并在1974年由IBM通过SNA（System Network Architecture）系统化。
通用的协议分层思想
- 第N层实体在实现自身功能时，仅使用N-1层提供的服务
- N层向N+1层提供服务，包括自身功能和下层服务的总和
- 最底层只提供服务，最高层只使用服务，中间层既是用户也是服务提供者
- 仅在相邻层间有接口，下层服务细节对上层透明
TCP/IP的分层模型
TCP/IP模型建立在硬件层之上，包含4个软件层。协议分层的原则是确保第n层接收到的数据与源主机发出的数据一致。操作系统边界和协议地址边界、点到点和端到端的关系、协议依赖关系（沙漏模型）、多路复用和多路分解等概念，都是理解TCP/IP分层模型的关键。
协议分析
协议分析是通过程序分析网络数据包的协议头和尾，了解信息和数据包的产生与传输过程。协议分析器本质上是在窃听网络通信，通过数据包嗅探器（packet sniffer）或分组捕获器来实现。这些工具通常用于故障诊断、性能分析和安全分析等。
协议分析应用
- 诊断网络故障
- 测试网络（主动发送数据包或被动侦听）
- 搜集网络性能趋势数据
协议分析任务
网络协议主要涉及三个要素：语法、语义和同步。语法关注数据包格式，语义解释字段含义，同步则描述协议工作流程。
常见网络协议
PPP协议
PPP（Point-to-Point Protocol）是一种网络接口层协议，主要用于点到点通信。其应用场景包括PPPoA（PPP over ATM）和PPPoE（PPP over Ethernet）。PPP规定了帧格式、链路控制协议（LCP）和网络控制协议（NCP），并支持PAP和CHAP两种认证协议。
报文选项
PPP支持多种报文选项，包括最大接收单元（MRU）、认证协议、质量协议、幻数、协议域压缩和地址及控制域压缩等。
IPCP
IP控制协议（IPCP）用于配置IP地址等网络参数，支持Van Jacobson压缩协议。
认证协议PAP
PAP（Password Authentication Protocol）存在安全缺陷，如明文传输身份和口令信息，容易遭受窃听、重放和穷举攻击。
认证协议CHAP
CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）通过挑战应答机制提高安全性。
PPPoE
PPPoE结合了以太网的高带宽特性和PPP的认证与控制功能。其协议流程包括发现阶段（获取AC的MAC地址）和会话阶段（配置链路、身份验证等）。
地址解析协议ARP
ARP（Address Resolution Protocol）用于解决IP地址到物理地址的映射问题。其工作原理是通过广播询问，单播回应的方式实现地址解析。
跨网转发时，ARP通过代理ARP机制实现无缝添加路由器，保持子网变化对主机透明。
移动IP
移动IP允许主机在变换网络后仍能以原IP地址通信。其特点包括透明性、互操作性、安全性和宏移动性。移动主机拥有家乡地址和转交地址，通过家乡代理实现数据转发。
移动IP的工作机制
移动IP的工作机制包括代理发现、移动代理通告、移动主机位置判断、注册和数据传送等环节。隧道技术（如IP-in-IP封装、最小封装和GRE）用于实现数据的跨网络传输。
移动IP的三角路由问题
为解决三角路由问题，移动主机需要向通信节点发送地址绑定信息，通信节点通过查找缓存中的地址绑定信息，直接通过隧道将数据报发送到转交地址。
隧道技术
隧道技术用于解决数据报在不能直接传输的网络中传输的问题。主要的隧道技术包括IP-in-IP封装、最小封装和通用路由封装（GRE）。
IP-in-IP封装
在IP-in-IP封装中，新IP首部的协议类型字段设置为4，源地址和目的地址分别设置为隧道的入口和出口点。
最小封装
最小封装的协议类型字段设置为55，源地址和目的地址分别设置为隧道的入口和出口点。
通用路由封装
GRE提供了递归封装的能力，并支持校验和、路由、密钥和序号等可选字段。
HTTP协议
HTTP（HyperText Transfer Protocol）是一种基于TCP的无状态协议，主要用于Web页面的传输。HTTP特点包括双向传输、协商能力、高速缓存支持和中介支持。
持久连接和长度
HTTP支持非持久连接、持久连接和流水线技术，提高了通信效率。
HTTP协商及条件请求
客户端与服务器可以通过协商确定访问是否需要认证、接受的文件类型、语言类型等。条件请求允许客户端指定响应满足的条件，如If-Modified-Since。
代理服务器和高速缓存
代理服务器可以提高通信效率，减轻服务器负担。高速缓存机制进一步优化了数据传输。
HTTP报文格式
HTTP报文包括开始行、首部行和实体主体。开始行可以是请求行或状态行，首部行包含各种控制信息，实体主体则包含数据部分。
HTTP面临的安全风险
HTTP的主要安全风险包括明文传输数据、缺乏完整性检测等。为增强安全性，可以使用HTTPS（HTTP over SSL）。
电子邮件系统
电子邮件系统由用户代理、邮件传送代理和邮箱三个主要部件组成。其基本功能包括撰写、传输、报告、显示和处理邮件。
邮箱地址及电子邮件格式
邮箱地址采用"邮箱名@邮箱所在主机的域名"的格式。电子邮件格式包括信封、首部和正文部分。MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）解决了附件传输问题。
简单邮件传输协议SMTP
SMTP用于发送邮件，基于TCP，使用端口号25。定义了14条命令和21种应答。
POP协议
POP（Post Office Protocol）用于接收邮件，目前广泛使用的是POP3。基于TCP，使用端口号110。POP服务器在用户身份认证后允许对邮箱的操作。
IMAP
IMAP（Internet Mail Access Protocol）提供更强大的远程邮箱管理和操作功能，基于TCP，使用端口号143。
POP VS IMAP
IMAP与POP的主要区别在于，IMAP支持联机访问模型，用户可以先查看首部，选择性收取邮件，且邮件默认保留在服务器上。
电子邮件系统面临的安全威胁
电子邮件系统面临的安全威胁包括SMTP的认证问题、数据明文传输、邮件服务器被攻击、电子邮件病毒和垃圾邮件等。
域名系统DNS
DNS（Domain Name System）为Internet上的主机提供便于记忆的名字，并解决名字到IP地址的映射问题。DNS采用树型结构，最高层为根服务器，全球共13个。
域名解析原理
域名解析采用客户端/服务器模型，解析类型包括递归解析和迭代解析。根服务器不接受递归解析请求，而是指示可能包含记录的服务器。
高速缓存
为提高效率，DNS系统引入了高速缓存机制，保存最近解析的域名和IP地址映射关系。缓存记录的保存时间由TTL值决定。
减少DNS报文长度的措施
DNS采用域名缩写和域名压缩等措施减少报文长度。DNS既可以基于TCP，也可以基于UDP，服务器使用知名端口53。
DNS面临的安全威胁
DNS面临的安全威胁包括DNS欺骗、信任服务器背叛、数据窃听及篡改、名字连锁攻击和否认域名存在等。