DNS 的来由

　　如果您为您的机器设定过 internet 连线﹐那么您一定接触过 DNS 了﹐但 DNS 又是什么东东呢﹖说穿了﹐DNS 是用来帮助记忆网路位址的﹐完全是为了迁就人类的记忆思维而设的。

　　DNS 的全称是 Domain Name System(或 Service) ﹐当您连上一个网址﹐在URL打上﹕www.google.com 的时候﹐可以说就是使用了 DNS 的服务了。但如果您知道这个 www.google.com 的 IP 位址﹐直接输入 216.239.53.101 也同样可以到达这个网址。其实﹐电脑使用的只是 IP 位址而已(最终也是 0 和 1 啦)﹐这个 www.google.com 只是让人们容易记忆而设的。因为我们人类﹐对一些比较有意义的文字记忆(如﹕www.google.com)﹐比记忆那些毫无头绪的号码(如﹕216.239.53.101)﹐往往容易得多。DNS 的作用就是为我们在文字和 IP 之间担当了翻译﹐而免除了强记号码的痛苦。

　　假如您的电话有名字记忆功能﹐您只需知道对方的名字﹐就可以拨号给友人了﹐我们可以说﹐这电话也具备如 DNS 的功能了呢﹗但是﹐我们在网路中使用的 DNS 系统﹐就是这么简单吗﹖非也﹐复杂得很呢﹗下面﹐就让我们一起去探索一下 DNS 的奥秘﹕

　　在早期的 IP 网路世界里面﹐每台电脑都只用 IP 位址来表示﹐不久人们就发现这样很难记忆﹐于是﹐一些 Unix 的管理者﹐就建立一个 HOSTS 对应表﹐将 IP 和主机名字对应起来﹐这样﹐用户只需输入电脑名字﹐就可以代替 IP 来进行沟通了。如果你安装了 Linux 系统﹐在 /etc 下面就可以找到这个 hosts 档案﹔在 NT 的系统里﹐你也可以在 \winnt\system32\drivers\etc 下面找到它。不过这个 HOSTS 档是要由管理者手工维护的﹐最大的问题是无法适用于大型网路﹐而且更新也是件非常头痛的事情。这就是 DNS 大派用场的时候了。

　　DNS 的结构

　　DNS 是一个分层级的分散式名称对应系统﹐有点像电脑的目录树结构﹕在最顶端的是一个“root”﹐然后其下分为好几个基本类别名称﹐如﹕com﹑org﹑edu 等﹔再下面是组织名称﹐如﹕IBM﹑Microsoft﹑intel 等﹔继而是主机名称﹐如﹕www﹑mail﹑ftp 等。因为当初 internet 是从美国发展起的﹐所以当时并没有国域名称﹐但随着后来 internet 的蓬勃发展﹐DNS 也加进了诸如 tw﹑hk﹑cn 等国域名称。所以一个完整的 dns 名称就好象是这样的﹕www.xyz.com.tw﹐而整个名称对应的就是一个(或多个) IP 位址了。

　　在早期的设计下﹐root 下面只有六个组织类别﹕

　　

　　不过﹐自从组织类别名称开放以后﹐各种各样五花八门的名称也相继涌现出来了﹐但无论如何﹐取名的规则最好尽量适合网站性质。除了原来的类别资料由美国本土的 NIC(Network Information Center) 管理之外﹐其它在国域以下的类别分别由该国的 NIC 管理(比方说台湾的 DNS 将授权给 twnic 来管理)。这样的结构看起来就像这样﹕

　　

　　在结构中﹐各组织的 DNS 经过申请后由该组织或其委托主机管理(通常当您申请注册一个 domain 域名称的时候﹐都要指定两台 DNS 主机负责该域名的 DNS 管理)。

　　DNS 的运作

　　在我们设定 IP 网路环境的时候﹐都要告诉每台主机关于 DNS 伺服器的位址(我们可以手动的在每一台主机上面设置﹐也可以使用 DHCP 来指定)。但这设定的义意何在呢?从前面的介绍我们或可知道：其目的就是请 DNS 帮忙解析主机名称与 IP 位址啦。在这个设定过程中，DNS 被称为 resolver (也就是负责解析的 DNS Server)，而被设定主机，则只是单纯的 DNS Client 了，也就是提出解析请求的主机。

　　下面让我们看看 DNS 是怎样运作的﹕

　　1. 当被询问到有关本域名之内的主机名称的时候﹐DNS 伺服器会直接做出回答﹔

　　2. 客户端向伺服器提出查询项目﹔

　　3. 当被询问到有关本域名之内的主机名称的时候﹐DNS 伺服器会直接做出回答﹔

　　4. 如果所查询的主机名称属于其它域名的话﹐会检查快取记忆体(Cache)﹐看看有没有相关资料﹔

　　5. 如果没有发现﹐则会转向 root 伺服器查询﹔

　　6. 然后 root 伺服器会将该域名之下一层授权(authoritative)伺服器的位址告知(可能会超过一台)﹔

　　7. 本地伺服器然后会向其中的一台伺服器查询﹐并将这些伺服器名单存到记忆体中﹐以备将来之需(省却再向 root 查询的步骤)﹔

　　8. 远方伺服器回应查询﹔

　　9. 若该回应并非最后一层的答案，则继续往下一层查询，直到获的客户端所查询的结果为止﹔

　　10. 将查询结果回应给客户端﹐并同时将结果储存一个备份在自己的快取记忆里面﹔

　　11. 如果在存放时间尚未过时之前再接到相同的查询﹐则以存放于快取记忆里面的资料来做回应。

　　从这个过程我们可以看出﹐没有任何一台 DNS 主机会包含所有域名的 DNS 资料﹐资料都是分散在全部的 DNS 伺服器中﹐而 NIC 只需知道各 DNS 伺服器位址就可以了。

　　为了更好地理解一下 DNS 的运作﹐让我们用下图看看查询 www.home.netman.com.tw 这台主机位址的过程﹕

　　

　　在这个例子中﹐www.home.netman.com.tw 台主机的 DNS 对应资料﹐是由负责 home.netman.com.tw 这个域名的 DNS 伺服器管理的。(在 DNS 术语中﹐我们称一个域名为“zone”﹐这个 zone 可以是您从 NIC 申请回来的域名﹐也可以是从该域名之下延伸出来的“sub-zone”)。在这台 DNS 伺服器上面﹐必须有一个关于 home.netman.com.tw 这个 zone 的档案﹐而这档案里面必须有一笔关于 www 的记录(任何主机都是以“记录”来表示，称为 Resource Record)。这个记录可以为一个 IP 位址﹐也可以以别名形式来对应一台主机名称﹐但无论如何﹐所对应的主机名称最终是要被一个 IP 位址所对应着就是了。

　　同时﹐DNS 还能提供“反查询”(reverse lookup) 功能﹐也就是以 IP 来查询主机名称。网路上面的许多服务﹐如﹕FTP, SMTP﹑等等﹐都需要到这个功能。其实﹐DNS 服务本身就必须要使用反查询功能﹐而且在设定上﹐也必须要为每个网路建立起 reverse zone。虽然有些人发觉即使没有 reverse zone 也可以使用到 DNS 服务﹐但其中弊端却不容易被察觉到﹐在这个(中文)网页﹕http://dnsrd.nctu.edu.tw/Basic/WhenToUse-Rev.html 上面﹐您可以看到忽略 revers zone 所致一些问题。

　　DNS 的名称记录

　　事实上﹐DNS 不仅仅是用来解释位址用的﹐而且还可以回答更多关于网路和主机的其它信息﹐其中很重要的一个功能就是可以供邮件系统进行路由。这些资料﹐通常会以不同的“记录”名称出现在DNS的资料档案中。下面让我们参考一个 Linux 的 DNS 档案﹐看看这些记录是如何表示的﹕

　　;; Zone file for siyongc.domain;; Then full zone file;$TTL 86400@　IN SOA RedHat52.siyongc.domain. netman.siyongc.domain. (1999092801 ; serial8H ; refresh2H ; retry1W ; expire1D ) ; minimun;IN TXT "A test domain, created by Netman"IN NS RedHat52IN NS debian.homeIN MX 10 redhat52.siyongc.domain.IN MX 20 debian.home;localhost IN A 127.0.0.1﹔gw IN A 192.168.0.17IN HINFO "Redhat" "MASQ"IN TXT "The masquerade gateway to internet"﹔redhat52 IN A 192.168.0.17IN MX 10 redhat52IN MX 20 debian.homeIN HINFO "Dell PII 266" "Linux RedHat"www IN CNAME redhat52mail IN CNAME redhat52ftp IN CNAME redhat52news IN CNAME redhat52smtp IN CNAME redhat52﹔pii266 IN A 192.168.0.15IN MX 10 redhat52.siyongc.domain.IN MX 20 debian.home.﹔slware36 IN A 192.168.0.18IN MX 10 redhat52.siyongc.domain.IN MX 20 debian.home.﹔rhroute IN A 192.168.0.4IN MX 10 redhat52.siyongc.domain.IN MX 20 debian.home.﹔home IN ns debian.home.siyongc.domain.debian.home IN A 10.0.2.101

　　我们姑且不理会开头那几行的意思﹐那是给 DNS 系统本身使用的(我将会在“学习 Linux”文章里面再详细讨论)﹐这里我们只是看看几个记录名称而已﹕

　　

　　分擔 DNS 工作

　　由於 DNS 的重要性日益顯著，為提高其容錯能力及查詢效能，我們在架設某一單一 zone 的時侯，常以多台伺服器來負責該 zone 的服務。其中，我們必需指定一台 Primary(master) DNS 伺服器，它是架設在某一個網域下被主要授權並控制所有名稱記錄的主控伺服器﹐管轄著該網域的所有記錄資料﹐這些記錄資料只有 primary(master) 可以修改。

　　但如果在一個比較大型的網路中﹐DNS 伺服器就會變得很繁忙﹐所以您可以設定多個 DNS 來分擔 master 的工作﹐但您或許不願意到每一個 DNS 伺服器去更新資料吧﹖而且就算您願意這樣做﹐也容易出現錯誤或資料不同步的情形。這樣您可以設定其它的伺服器為 secondary (slave) DNS 來複製 master 上面的記錄資料﹐這樣﹐其它的電腦可以被分派到不同的 DNS 做查詢﹐既可以分擔 master 的工作﹐而且資料也可以自動進行同步工作。為確保資料的一致性，master 每次更新過資料後會以 notify 機制主動通知 slave 前來同步。此外，您可以設定 DNS 資料同步的時間間隔﹐在 dns 檔案中的 Refresh 設定就是了。

　　经过了前面的学习，相信您不再认为设定与管理 TCP/IP 网路是件轻松的事情。要成功的将您的网路用 TCP/IP 连接起来，您就得为每台电脑设定 IP、mask、gateway、等等繁琐的事情。

　　要是您想管理好一个比较大的网路﹐或是电脑节点经常改变(如手提电脑或拨接)﹐这样的工作可以说是非常令人讨厌的﹐而且出错的机会也比较多。要是，万一日后要进行 IP 重新规划﹐其工作量也是相当惊人的。

　　面对这些情形﹐DHCP 可以说您的菩萨了﹕它不但救苦救难﹐而且神通广大。

　　什么是 DHCP?

　　DHCP 是 Dynamic Host Configuration Protocol 之缩写﹐它的前身是 BOOTP。BOOTP 原本是用于无磁碟主机连接的网路上面的﹕网路主机使用 BOOT ROM 而不是磁碟起动并连接上网路﹐BOOTP 则可以自动地为那些主机设定 TCP/IP 环境。但 BOOTP 有一个缺点：您在设定前须事先获得客户端的硬体位址，而且，与 IP 的对应是静态的。换而言之，BOOTP 非常缺乏 "动态性" ，若在有限的 IP 资源环境中，BOOTP 的一对一对应会造成非常可观的浪费。

　　DHCP 可以说是 BOOTP 的增强版本﹐它分为两个部份﹕一个是伺服器端﹐而另一个是客户端。所有的 IP 网路设定资料都由 DHCP 伺服器集中管理﹐并负责处理客户端的 DHCP 要求﹔而客户端则会使用从伺服器分配下来的IP环境资料。比较起 BOOTP ，DHCP 透过 "租约" 的概念，有效且动态的分配客户端的 TCP/IP 设定，而且，作为兼容考量，DHCP 也完全照顾了 BOOTP Client 的需求。

　　DHCP 的分配形式

　　首先﹐必须至少有一台 DHCP 工作在网路上面﹐它会监听网路的 DHCP 请求﹐并与客户端搓商 TCP/IP 的设定环境。它提供两种 IP 定位方式﹕

　　Automatic Allocation

　　自动分配﹐其情形是﹕一旦 DHCP 客户端第一次成功的从 DHCP 伺服器端租用到 IP 位址之后﹐就永远使用这个位址。

　　Dynamic Allocation

　　动态分配﹐当 DHCP 第一次从 HDCP 伺服器端租用到 IP 位址之后﹐并非永久的使用该位址﹐只要租约到期﹐客户端就得释放(release)这个 IP 位址﹐以给其它工作站使用。当然﹐客户端可以比其它主机更优先的延续(renew)租约﹐或是租用其它的 IP 位址。

　　动态分配显然比自动分配更加灵活﹐尤其是当您的实际 IP 位址不足的时候﹐例如﹕您是一家 ISP ﹐只能提供 200 个IP位址用来给拨接客户﹐但并不意味着您的客户最多只能有 200 个。因为要知道﹐您的客户们不可能全部同一时间上网的﹐除了他们各自的行为习惯的不同﹐也有可能是电话线路的限制。这样﹐您就可以将这 200 个位址﹐轮流的租用给拨接上来的客户使用了。这也是为什么当您查看 IP 位址的时候﹐会因每次拨接而不同的原因了(除非您申请的是一个固定 IP ﹐通常的 ISP 都可以满足这样的要求﹐这或许要另外收费)。当然﹐ISP 不一定使用 DHCP 来分配位址﹐但这个概念和使用 IP Pool 的原理是一样的。

　　DHCP 除了能动态的设定 IP 位址之外﹐还可以将一些 IP 保留下来给一些特殊用途的机器使用﹐它可以按照硬体位址来固定的分配 IP 位址﹐这样可以给您更大的设计空间。同时﹐DHCP 还可以帮客户端指定 router﹑netmask﹑DNS Server﹑WINS Server﹑等等项目﹐您在客户端上面﹐除了将 DHCP 选项打勾之外﹐几乎无需做任何的 IP 环境设定。

　　DHCP 的工作原理

　　视乎客户端是否第一次登录网路﹐DHCP 的工作形式会有所不同。

　　第一次登录的时候﹕

　　1. 寻找 Server。当 DHCP 客户端第一次登录网路的时候﹐也就是客户发现本机上没有任何 IP 资料设定﹐它会向网路发出一个 DHCPDISCOVER 封包。因为客户端还不知道自己属于哪一个网路﹐所以封包的来源位址会为 0.0.0.0 ﹐而目的位址则为 255.255.255.255 ﹐然后再附上 Dhcpdiscover 的信息﹐向网路进行广播。

　　在 Windows 的预设情形下，Dhcpdiscover 的等待时间预设为 1 秒﹐也就是当客户端将第一个 Dhcpdiscover 封包送出去之后﹐在 1 秒之内没有得到回应的话﹐就会进行第二次 Dhcpdiscover 广播。若一直得不到回应的情况下﹐客户端一共会有四次 Dhcpdiscover 广播(包括第一次在内)﹐除了第一次会等待 1 秒之外﹐其余三次的等待时间分别是 9﹑13﹑16 秒。如果都没有得到 DHCP 伺服器的回应﹐客户端则会显示错误信息﹐宣告 Dhcpdiscover 的失败。之后﹐基于使用者的选择﹐系统会继续在 5 分钟之后再重复一次 Dhcpdiscover 的过程。

　　2. 提供 IP 租用位址。当 DHCP 伺服器监听到客户端发出的 Dhcpdiscover 广播后﹐它会从那些还没有租出的位址范围内﹐选择最前面的的空置 IP ，连同其它 TCP/IP 设定，回应给客户端一个 DHCPOFFER 封包。

　　由于客户端在开始的时候还没有 IP 位址﹐所以在其 Dhcpdiscover 封包内会带有其 MAC 位址信息﹐并且有一个 XID 编号来辨别该封包﹐DHCP 伺服器回应的 Dhcpoffer 封包则会根据这些资料传递给要求租约的客户。根据伺服器端的设定﹐Dhcpoffer 封包会包含一个租约期限的信息。

　　3. 接受 IP 租约。如果客户端收到网路上多台 DHCP 伺服器的回应﹐只会挑选其中一个 Dhcpoffer 而已(通常是最先抵达的那个)﹐并且会向网路发送一个Dhcprequest广播封包﹐告诉所有 DHCP 伺服器它将指定接受哪一台伺服器提供的 IP 位址。

　　同时﹐客户端还会向网路发送一个 ARP 封包﹐查询网路上面有没有其它机器使用该 IP 位址﹔如果发现该 IP 已经被占用﹐客户端则会送出一个 DHCPDECLINE 封包给 DHCP 伺服器﹐拒绝接受其 Dhcpoffer ﹐并重新发送 Dhcpdiscover 信息。

　　事实上﹐并不是所有 DHCP 客户端都会无条件接受 DHCP 伺服器的 offer ﹐尤其这些主机安装有其它 TCP/IP 相关的客户软体。客户端也可以用 Dhcprequest 向伺服器提出 DHCP 选择﹐而这些选择会以不同的号码填写在 DHCP Option Field 里面﹕

　　

　　换一句话说﹐在 DHCP 伺服器上面的设定﹐未必是客户端全都接受﹐客户端可以保留自己的一些 TCP/IP 设定。而主动权永远在客户端这边。

　　4.租约确认。当 DHCP 伺服器接收到客户端的 Dhcprequest 之后﹐会向客户端发出一个 DHCPACK 回应﹐以确认 IP 租约的正式生效﹐也就结束了一个完整的 DHCP 工作过程。

　　如上的工作流程如下图：

　　

　　DHCP 发放流程

　　第一次登录之后﹕

　　一旦 DHCP 客户端成功地从伺服器哪里取得 DHCP 租约之后﹐除非其租约已经失效并且 IP 位址也重新设定回 0.0.0.0 ﹐否则就无需再发送 Dhcpdiscover 信息了﹐而会直接使用已经租用到的 IP 位址向之前之 DHCP 伺服器发出 Dhcprequest 信息﹐DHCP 伺服器会尽量让客户端使用原来的 IP 位址﹐如果没问题的话﹐直接回应 Dhcpack 来确认则可。如果该位址已经失效或已经被其它机器使用了﹐伺服器则会回应一个 DHCPNACK 封包给客户端﹐要求其从新执行 Dhcpdiscover。

　　至于 IP 的租约期限却是非常考究的﹐并非如我们租房子那样简单﹐ 以 NT 为例子﹕DHCP 工作站除了在开机的时候发出 dhcprequest 请求之外﹐在租约期限一半的时候也会发出 dhcprequest ﹐如果此时得不到 DHCP 伺服器的确认的话﹐工作站还可以继续使用该 IP ﹔然后在剩下的租约期限的再一半的时候(即租约的75%)﹐还得不到确认的话﹐那么工作站就不能拥有这个 IP 了。至于为什么不是到租约期限完全结束才放弃 IP 呢﹖﹐对不起﹐小弟也是不学无术之人﹐没有去深究了﹐只知道要回答 MCSE 题目的时候﹐您一定要记得 NT 是这么工作的就是了。

　　要是您想退租，可以随时送出 DHCPLEREASE 命令解约﹐就算您的租约在前一秒钟才获得的。

　　跨网路的 DHCP 运作

　　从前面描述的过程中，我们不难发现：DHCDISCOVER 是以广播方式进行的，其情形只能在同一网路之内进行﹐因为 router 是不会将广播传送出去的。但如果 DHCP 伺服器安设在其它的网路上面呢﹖由于 DHCP 客户端还没有 IP 环境设定﹐所以也不知道 Router 位址﹐而且有些 Router 也不会将 DHCP 广播封包传递出去﹐因此这情形下 DHCPDISCOVER 是永远没办法抵达 DHCP 伺服器那端的，当然也不会发生 OFFER 及其他动作了。要解决这个问题，我们可以用 DHCP Agent (或 DHCP Proxy )主机来接管客户的 DHCP 请求﹐然后将此请求传递给真正的 DHCP 伺服器﹐然后将伺服器的回复传给客户。这里﹐Proxy 主机必须自己具有路由能力，且能将双方的封包互传对方。

　　若不使用 Proxy，您也可以在每一个网路之中安装 DHCP 伺服器﹐但这样的话﹐一来设备成本会增加﹐而且﹐管理上面也比较分散。当然啰﹐如果在一个十分大型的网路中﹐这样的均衡式架构还是可取的。端视您的实际情况而定了。

　　DHCP 封包格式

　　

　　以下为各栏位的简要说明：

　　OP

　　若是 client 送给 server 的封包，设为 1 ，反向为 2 。

　　HTYPE

　　硬体类别，Ethernet 为 1 。

　　HLEN

　　硬体位址长度， Ethernet 为 6 。

　　HOPS

　　若封包需经过 router 传送，每站加 1 ，若在同一网内，为 0 。

　　TRANSACTION ID

　　DHCPREQUEST 时产生的数值，以作 DHCPREPLY 时的依据。

　　SECONDS

　　Client 端启动时间(秒)。

　　FLAGS

　　从 0 到 15 共 16 bits ，最左一 bit 为 1 时表示 server 将以广播方式传送封包给 client ，其余尚未使用。

　　ciaddr

　　要是 client 端想继续使用之前取得之 IP 位址，则列于这里。

　　yiaddr

　　从 server 送回 client 之 DHCPOFFER 与 DHCPACK 封包中，此栏填写分配给 client 的 IP 位址。

　　siaddr

　　若 client 需要透过网路开机，从 server 送出之 DHCPOFFER、DHCPACK、DHCPNACK 封包中，此栏填写开机程式码所在.

　　在整个 TCP/IP 协定家族中，对 "使用者" 来说，ICMP 恐怕是易忽略的协定了。关于前面所讨论的协定，真要能发挥工作的前提条件是："假设一切都没问题" 。

　　然而，在当今如此复杂的网路环境中，前述条件恐怕是没办法保证的：设定可能有误、线路有可能会断、设备可能挂点、router 可能负载太高、 .... 等等又等等的状况，都是我们没办法确保的。那么，我们必需有一套机制来侦测或通知各种各样可能发生的状况，这就是 ICMP 协定的目的了。

　　之所以说 ICMP 最容易被忽略，是因为，大部份的情况下，ICMP 只给底层的网路设备参考且被解决了。真要劳架使用者执行的话，恐怕不多，最具代表的，算是 ping 与 traceroute 这两个工具了。下面，让我们一起揭开 ICMP 的神秘面纱...

　　ICMP 协定之内容

　　ICMP 的全称是 Internet Control Message Protocol 。从技术教度来说，ICMP 就是一个 "错误侦测与回报机制"，其目的就是让我们能够检测网路的连线状况﹐也能确保连线的准确性﹐其功能主要有﹕

　　· 侦测远端主机是否存在。

　　· 建立及维护路由资料。

　　· 重导资料传送路径。

　　· 资料流量控制。

　　ICMP 在沟通之中，主要是透过不同的类别( Type )与代码( Code ) 让机器来识别不同的连线状况。常用的类别如下表所列﹕

　　

　　

　　

　　ICMP 是个非常有用的协定﹐尤其是当我们要对网路连接状况进行判断的时候。下面让我们看看常用的 ICMP 实例，以更好了解 ICMP 的功能与作用。

　　关于 PING

　　当关于这个命令应该很多人都用过了吧﹖它就是用来测试两台主机是否能够顺利连线的最简单的工具﹕

　　在整个 TCP/IP 协定家族中，对 "使用者" 来说，ICMP 恐怕是易忽略的协定了。下面，让我们一起揭开 ICMP 的神秘面纱...

　　

　　在 Linux 使用 ping 命令﹐如果您不使用 -c N 参数来指定送出多少个 ICMP 封包的话﹐ping 命令会一直持续下去﹐直到您按 Ctrl + C 为止。从上面的命令结果我们可以确定连线是否成功之外﹐还可以根据它的 time 来判断当前的连线速度﹐数值越低速度越快﹔在命令结束的两行﹐还有一个总结﹐如果发现您的 packet loss 很严重的话﹐那就要检察您的线路品质﹐或是上游的服务品质了﹔最后一行是 round-trip (来回)时间的最小值﹑平均值﹑最大值﹐它们的时间单位都是微秒 (ms)。不过﹐那个 mdev 是什么意思我也不知道~~

　　如果运用得当﹐ping 可以帮我们判断出许多状况。例如﹐我们要看一下跟远方的机器是否连接得上﹐先可以 ping 一下对方的机器名称﹔如果连接不上的话﹐我们可以 ping 对方的 ip ﹐如果 ip 可以 ping 得到﹐那么﹐很可能是 dns 不工作了﹔那么我们可以检查本身主机的 dns 伺服器是否指定正确、以及 dns 伺服器是否设定正确。如果连 IP 都 ping 不了﹐那么﹐很可能是 IP 设定的问题了﹐也可能是网路的连线问题。检查的步骤也有很多种﹐下面是方法之一﹕

　　1. ping 对方的 router (如过您知道其位址的话)﹐假如 ping 得上﹐那可能是对方机器和其相连网路的问题﹔

　　2. 如果 ping 不到对方的 router ﹐那么可以 ping 自己的 router。如果 ping 得上﹐那么好可能是 router 和 router 之间的问题﹔

　　3. 如果自己的 router 也 ping 不到﹐那么可能是自己的机器和 router 之间的问题﹐我们可以 ping 一下自己的 IP 。如果自己的 IP 可以 ping 得到﹐那么﹐可能是连线的问题﹐我们可以检查一下网线、hub、等设备﹐看看有没有损毁的状况。

　　4. 同时﹐我们也可以 pin g一下网路上面其它的机器﹐也可以用其它机器 ping 一下 router ﹐来判别一下问题来自自己机器、还是网路、还是 router、等等。

　　5. 如果自己的 IP 都 ping 不到﹐那么可能是网路卡坏掉了或没有正确设定﹐可以看看设备资源有没有冲突﹐也可以看看设备有没有被系统启动。

　　6. 如果看来都没问题﹐那么可以 ping 一下回圈位址 127.0.0.1 ﹐如果连这个都 ping 不了的话﹐这台机器的 IP 功能根本就没被启动﹗那么﹐您就要先检查一下网路功能有没有选择、IP 协定有没有被绑定( bind )、等基本网路设定了。

　　从上面的过程中﹐我们不难看出 ping 这个命令真是非常有用的。然而，我们能 ping 一台机器的时候﹐我们就可以确定连线是成功的﹐但如果不能 ping 的话﹐未必是连不上哦。嗯﹖怎么说呢﹖且听我道来﹕使用 ping 命令的时候﹐事实上是送出一个 echo-request( type 8 ) 的 ICMP 封包﹐如果对方的机器能接收到这个请求﹐而且愿意作出回应﹐则送回一个 echo-reply( type 0 ) 的 ICMP 封包﹐当这个回应能顺利抵达的时候﹐那就完成一个 ping 的动作。

　　很显然﹐如果这个 echo-request 不能到达对方的机器﹐或是对方回应的 echo-reply 不能顺利送回来﹐那 ping 就失败。这情形在许多有防火墙的环境中都会碰到﹐如果防火墙随便将 request 和 reply 拦下来就会导致 ping 失败﹐但并不代表其它连线不能建立。另外﹐就算没有防火墙作怪﹐对方也可以将机器设定为不回应任何 echo-request 封包﹐若在 Linux 上，只要用下面命令就可以了﹕

　　echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/icmp_echo_ignore_all

　　如果您不想别人 ping 您的机器﹐也可以如法泡制。但真的当您需要用 ping 命令来测试网路连线的时候﹐就做不到了﹐有利有弊啦。

　　关于 TRACEROUTE

　　除了用 ping 命令来检查连线之外﹐还有另外一个非常厉害的工具我们可以使用的﹐就是 traceroute 命令了(在 Windows 上面则称为 tracert 命令)﹕

　　透过 traceroute 命令﹐我们可以找出通往目的地的所有经过的路由节点﹐并以数字将路由顺序标识出来。若是您觉得回应很慢，那可加上 -n 参数﹐节点名称将会以 IP 位址显示﹐因为不需要进行名称解析﹐回应速度当然会快一些。

　　从上面的 traceroute 结果﹐我们可以看到每一个节点都返回 3 个 round-trip 时间作参考。这样﹐您就能够判断整个连线路由中﹐交通瓶颈所在的位置在哪里。您或许奇怪 traceroute 是如何揪出所有路由节点的呢﹖且听我细说﹕

　　您是否有留意到 ping 命令的结果有一个 TTL 值﹖通常来说﹐Time To Live 都是以时间为单位的﹐但是在路由上面却是以跳站数目为单位的。为了防止一个封包无限期呆在网路上路由﹐每一个封包都会被赋予一个 TTL 值﹐告诉它最多能经过多少个跳站。当封包被一个路由节点处理之后﹐它原来的 TTL 值就会被扣掉 1 ﹐这样﹐如果封包的 TTL 降到 0 的时候﹐路由器就会丢弃这个封包﹐并且同时向来源地送出一个 time_exceeded( type 11 ) 的 ICMP 封包﹐以告知其封包的命运。

　　找到灵感了吗﹖聪明的 traceroute 程式设计者正是利用了 ICMP 这个特殊功能﹐来找出每一个路由节点的﹕

　　1. 首先﹐traceroute 命令会向目标位址送出 UDP 侦测封包(在 Linux 中，可用 -I 改为 ICMP 封包)﹐但将第一个送出的封包之 TTL 设为 1 。这样﹐第一个路由节点在处理这个封包的时候﹐减掉 1 ，并发现 TTL 为 0 ﹐于是就不处理这个封包﹐并同时送回一个 ICMP 封包。这样﹐发送端就知道第一个路由节点在哪里了。

　　2. 当接得到第一个 ICMP 返回的时候﹐程式会检查返回主机是否就是目标主机﹐如果不是﹐则再送出第二个封包﹐但 TTL 比上次增加 1 。

　　3. 这样﹐第一路由节点接到的封包之 TTL 就不是 0 ﹐那么处理完毕后送给下一个节点﹐同时将 TTL 扣除 1 。这样，当下一个站收到这个封包，再扣掉 TTL 为 0 ﹐也会送回 ICMP 封包﹐这样﹐程式就知道第二个路由节点在哪里了。

　　4. 然后重复上一个动作﹐直到找到目标主机为止﹐或是封包的最大 TTL (通常为 30) 都用光为止﹐但您可以用 -m 参数来指定最大的 TTL 值。

　　怎样﹖聪明吧﹗^_^

　　但是﹐在实作中﹐未必是所有路由设备都会﹑或愿意送回 ICMP 封包的。碰到这样的情况﹐您就会看到第 8 个跳站的情形了(以星号显示)。假如 traceroute 最后的结果一直维持着 * 符号﹐那可能是因为 ICMP 被对方的防火墙拦下来的结果。这样的话﹐您可能无法完成防火墙后的路由追踪了。

　　从上面的例子来观察﹐由第 6 个跳站开始明显降慢下来﹐而根据名称看来﹐应该就是 ISP 连出 backbond 的节点。假如您发现从内部网路到自己的 router 之间的连线都很快﹐过了 router 之后就很慢﹐如果不是专线的线路出现了问题﹐那很可能到了要升级专线的时候了﹐或是这时候刚好碰到有人大量使用频宽﹔假如速度过了 router 连到对方的机房还很快﹐然后就开始降下来﹐那您要好好审查一下当初和 ISP 签订的合约上﹐关于频宽的保证问题是如何说的﹔但如果您发现连线到国外的网站﹐而速度是从进入对方国家之后才降下来的﹐那就没什么办法好想了。

　　其实 ICMP 协定还有许多实在上面的例子﹐这里不一一介绍了。能灵活运用 ICMP 协定﹐对我们了解和测试网路情况非常有帮助。

　　ICMP 封包格式

　　由于 ICMP 的类别翻多，且各自又有各自的代码，因此，ICMP 并没有一个统一的封包格式以供全部 ICMP 讯息使用，不同的 ICMP 类别分别有不同的封包栏位。以 echo-request 与 echo-reply 为例，它们的 ICMP 封包内容如下：

　　

　　因此，只要网路之间能支援 IP ，那就可透过 ICMP 进行错误侦测与回报。

　　ICMP 协定之 RFC 文件

　　RFC-792﹑RFC-896﹑RFC-950﹑RFC-956﹑RFC-957﹑RFC-1016﹑RFC-1122﹑RFC-1305

　　习题﹕

　　1. 请问为何要有 ICMP ?其功能是甚么?

　　2. 请列举常见的 ICMP TYPE 有哪些。

　　3. 请列举 Distination Unreachable 的 ICMP CODE 有哪些。

　　4. 请描述 ping 是如何

　　严格来说，TCP/IP 协定家族并没有定义 "TCP/IP 专属的" 网路硬体规格。硬体的范围实在太过广泛了﹐标准非常多﹐当今大部份的低层网路硬体标准都是由 IEEE 制定的，但也有许多标准是厂商专属的。

　　要让 TCP/IP 协定能够顺利与不同类型的硬体进行沟通﹐那么就需要建立起一些标准协定来让大家共同参考。以我们最常用的乙太网(Ethernet)为例﹐我们无需理会厂商如何设计网路界面的驱动程式﹐一旦它能够被系统接纳﹐网路储存层(Datalink)就能使用网路界面在实体网路上传送和接收资料了。

　　IP 位址和实体位址对应之困扰

　　在「网路基础」课程中﹐我们知道乙太网上面使用的传送方式叫 CSMA/CD (Carrier-Sensing Multiple Access with Collision Detection)﹕虽然讯框会在整个网段(segment)中用广播的方式传递﹐而且所有节点都会收到讯框﹐然而﹐只有目的位址符合自己实体位址的讯框才会被接收下来。因此，不管上层协定是哪一种(可以是 TCP/IP 也可以是其它)，在底层的传送若是使用 Ethernet 的话，就得使用 MAC (Media Access Control) 实体位址。若要查询到当前系统目前所有界面的实体位址，我们可在 Linux 系统里面输入 ifconfig 命令﹕

　　eth0　 Link encap:Ethernet　HWaddr 00:A0:0C:11:EA:11

　　inet addr:203.30.35.134 Bcast:203.30.35.159 Mask:255.255.255.224

　　UP BROADCAST RUNNING MULTICAST　MTU:1500　Metric:1

　　RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0

　　TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0

　　collisions:0 txqueuelen:100　 Interrupt:3 Base address:0x300eth1

　　Link encap:Ethernet　HWaddr 00:80:C7:47:8C:9A

　　inet addr:192.168.0.17 Bcast:192.168.0.255 Mask:255.255.255.0

　　UP BROADCAST RUNNING MULTICAST　MTU:1500　Metric:1

　　RX packets:12303 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0

　　TX packets:12694 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0

　　collisions:0 txqueuelen:100　 Interrupt:10 Base address:0x2e0

　　从上面的命令结果中可发现：关于每一个界面的第一行资讯﹐最后的部份就是该界面的实体位址。讯框在实体网路上面传送的过程中﹐IP 位址(或曰罗辑位址)一点都派不上用场。但问题是：当我们使用 TCP/IP 的时侯，上层的协定都是以 IP 位址为传送依据的。那么﹐这时候我们就必须有一套方法来对应 IP 位址和实体位址了。

　　在此一过程中﹐关键点是如果将 IP 位址对与实体位址做对应。有些使用简单实体位址的网路(如 proNET-10 )﹐其实体位址只占一个 byte 的长度﹐而且允许使用者在配置网路卡的是选择自己的实体位址。在这样的网路上进行 IP 位址和实体位址的对应﹐是比较简单的﹐我们可以把实体位址设为和 IP 位址设为一样。例如﹐假设某一个节点的 IP 位址为 192.168.1.17﹐那么我们可以将该实体位址设为 17。 这样﹐在 proNET 就可以轻易的根据 IP 位址来得到实体位址。这样的对应非常简单﹐而且要维护起来也很容易﹐在新机器假如网路的时候﹐并不需要修改或重编已存的资料。

　　然而﹐我们知道在乙太网上﹐每一个实体界面都有一个 48bit(6byte) 的 MAC 位址﹐而 IP (v4)使用的位址则为 32bit(4byte)﹔每各位址格式都只提供相应的层级协定使用﹐彼此是不能互换使用的。这时候我们就无法用简单的数学关系来做 IP 位址和实体位址的对应了。

　　IP 位址和实体位址的对应方法

　　建立表格

　　首先﹐我们想到的最简单方法是在每一台机器上建立一个 IP 位址和实体位址的对应表格( table )。不过这个方法还是没办法解决如下的情形﹕

　　· 网路上的节点数量多如恒河沙数﹐要想将全部节点的对应关系列入表格之中几近不可能任务。

　　· 如果某一个节点产生异动情形(例如更换网卡)﹐那么如果让所有表格正确做出相应修改﹐也是个头痛的问题。

　　· 对某无磁碟工作站来说﹐因为没有本机的储存设备﹐将无非建立表格。

　　写入高阶程式

　　除了建立表格﹐我们还可以将实际的网路位址写死在高阶网路程式里面。不过﹐和前一个方法一样﹐如果遇到硬体位址变更等异动动情形﹐那么﹐程式也需要重新编译过才行。

　　显然﹐上述两个方法都不怎么高明。

　　ARP 协定

　　这里我们要介绍的是 Address Resolution Protocol (ARP)。 ARP 是 TCP/IP 设计者利用乙太网的广播性质﹐设计出来的位址解释协定。它的主要特性和优点是它的位址对应关系是动态的﹐它以查询的方式来获得 IP 位址和实体位址的对应。它的工作原理非常简单﹕

　　1. 首先﹐每一台主机都会在 ARP 快取缓冲区 (ARP Cache)中建立一个 ARP 表格﹐用来记录 IP 位址和实体位址的对应关系。这个 Table 的每一笔资料会根据自身的存活时间递减而最终消失﹐以确保资料的真实性。

　　2. 当发送主机有一个封包要传送给目的主机的时候﹐并且获得目的主机的 IP 位址﹔那发送主机会先检查自己的 ARP 表格中有没有该 IP 位址的实体位址对应。如果有﹐就直接使用此位址来传送框包﹔如果没有﹐则向网路发出一个 ARP Request 广播封包﹐查询目的主机的实体位址。这个封包会包含发送端的 IP 位址和实体位址资料。

　　3. 这时﹐网路上所有的主机都会收到这个广播封包﹐会检查封包的 IP 栏位是否和自己的 IP 位址一致。如果不是则忽略﹔如果是则会先将发送端的实体位址和 IP 资料更新到自己的 ARP 表格去﹐如果已经有该 IP 的对应﹐则用新资料覆盖原来的﹔然后再回应一个 ARP Reply 封包给对方﹐告知发送主机关于自己的实体位址﹔

　　4. 当发送端接到 ARP Reply 之后﹐也会更新自己的 ARP 表格﹔然后就可以用此纪录进行传送了。

　　5. 如果发送端没有得到 ARP Reply ﹐则宣告查询失败。

　　ARP 的查询过程可参考下图﹕

　　

　　ARP 的查询过程

　　前面说的 ARP 表格﹐只有在 TCP/IP 协定被载入核心之后才会建立﹐如果 TCP/IP 协定被卸载或关闭机器﹐那么表格就会被清空﹔到下次协定载入或开机的时候再重新建立﹐而同时会向网路发出一个 ARP 广播﹐告诉其它机器它的目前位址是什么﹐以便所有机器都能保持最正确的资料。

　　然而﹐ARP cache 的大小是有所限制的﹐如果超过了界限﹐那么越长时间没被使用过渡资料就必须清理掉﹐以腾出空间来储存更新的资料。所以﹐当机器收到 ARP equest 封包时﹐如果查询对象不是自己﹐则不会根据发送端位址资料来更新自己的 ARP 表格﹐而是完全忽略该封包。同时﹐每笔存在 cache 中的资料﹐都不是永久保存的﹕每笔资料再更新的时候﹐都会被赋予一个存活倒数计时值﹐如果在倒数时间到达的时候﹐该资料就会被清掉。然而﹐如果该资料在倒数时间到达之前被使用过﹐则计时值会被重新赋予。

　　当然了﹐ARP 尚有一套机制来处理当 ARP 表格资料不符合实际位址资料的状况(例如﹐在当前连线尚未结束前﹐收到目的端的位址资料更新讯息)﹔或是目的主机太忙碌而未能回答 ARP 请求等状况。

　　RARP 协定

　　刚才介绍的 ARP 协定是透过向网路查询而找出实体位址﹐那我们接下来探讨的 RARP 协定则相反﹕它是籍由查询网路上其它主机而得到自己的 IP 位址。

　　通常﹐我们使用的乙太网卡﹐在出厂的时候就有生产厂家把网卡的实体位址烧在 ROM 里面﹐这个位址是不能改变的(某些型号的网路卡﹐或是透过其它技术手段﹐是允许您修改实体位址的)。不管系统是否起来﹐这个位址都会存在﹐而且要让系统获得它也很容易。然而，在一些无磁碟(diskless)工作站上面﹐系统档案都存放在远端的伺服器﹐当它在启动的时候﹐因为本身没有 IP 位址﹐也就无法和伺服器沟通﹐更不能将系统档案载入。那么﹐我们就必须要有一个办法﹐让这样的无磁碟工作站在和伺服器沟通之前获得自己的 IP 位址。RAPR 协定就是为解决此问题而设计出来的。

　　和 ARP 协定一样﹐RARP 也是用广播的形式来进行查询﹐只不过这时候问的 IP 位址不是别人﹐而是自己的 IP 位址而已。我们可以从下图看出 RARP 的运作﹐其实和 ARP 是极其相似的﹕

　　

　　RARP 的查询过程

　　首先是查询主机向网路送出一个 RARP Request 广播封包﹐向别的主机查询自己的 IP。在时候﹐网路上的 RARP 伺服器就会将发送端的 IP 位址用 RARP Reply 封包回应给查询者。这样查询主机就获得自己的 IP 位址了。

　　然而不像 ARP﹐查询主机将 RARP Request 封包丢出去之后﹐可能得到的 RARP Reply 会不止一个 (在 ARP 查询中﹐我们可以确定只会获得一个回应而已)。因为网路上可能存在不止一台 RARP 伺服器(基于备份和分担考量﹐极有可能如此设计)﹐那么﹐所有收到 RARP 请求的伺服器都会尝试向查询主机作出 RARP Reply 回应。如果这样的话﹐网路上将充斥这种 RARP 回应﹐做成额外的负荷。这时候﹐我们有两种方法来解决RARP 的回应问题。

　　第一种方法﹐为每一个做 RARP 请求的主机分配一主伺服器﹐正常来说﹐只有主伺服器才回做出 RARP 回应﹐其它主机只是记录下接收到 RARP 请求的时间而已。假如主伺服器不能顺利作出回应﹐那么查询主机在等待逾时再次用广播方式发送 RARP 请求﹐其它非主伺服器假如在接到第一个请求后很短时间内再收到相同请求的话﹐才会作出回应动作。

　　第二种方法也很类似﹕正常来说﹐主伺服器当收到 RARP 请求之后﹐会直接作出回应﹔为避免所有非主伺服器同时传回 RARP 回应﹐每台非主伺服器都会随机等待一段时间再作出回应。如果主伺服器未能作出回应的话﹐查询主机会延迟一段时间才会进行第二次请求﹐以确保这段时间内获得非主伺服器的回应。当然﹐设计者可以精心的设计延迟时间至一个合理的间隔。