Networking Protocols

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如何将数据报发送到群集中正确的物理主机？

• IP 数据报包含一个 IP 地址
  • IP 地址在操作系统中配置（例如 DHCP）
• 大多数集群交换机都在数据链路层「datalink」（第 2 层）运行。
  • L2交换机只理解MAC地址
  • 端口的概念只存在于计算机中
• 需要将 IP 地址映射到 MAC 地址的方法

Solution: Address Resolution Protocol

ARP Protocol

Address Resolution Protocol「地址解析协议」

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• A Network Layer (Layer 2)protocol
• Translates the IP address of a computer on a local network to an equivalent layer 2 address (MAC address)

Example: Sending a packet from machine A to B using level-2 switch.

• 问题：给定 B 的 IP 地址，如何确定 B 的 MAC 地址？
• ARP Protocol: A 想要向 B 发送数据报，而 A 不知道 B 的 MAC 地址。
• Solution:
  • A 广播 ARP 查询数据包，其中包含 B 的 IP 地址
    • Dest MAC address: FF-FF-FF-FF-FF-FF
    • all machines on LAN receive ARP query
  • B receives ARP packet, replies to A with its (B's)MAC address (unicast)
    • Dest MAC address = A's MAC address
  • A 在其 ARP 表中缓存（保存）IP 到 MAC 地址对，直到信息变旧（超时）
  • ARP is "plug-and-play「即插即用」": 节点无需网络管理员干预即可创建 ARP 表
    • 节点无需网络管理员的干预即可创建其 ARP 表

ARP Packet Format

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example

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ARP Table

由于为每个 IP 数据报发送 ARP 请求/应答的效率很低，因此主机会对当前条目 ARP 表进行缓存。

LAN上的每个IP节点（主机、路由器）都有一个ARP表

• ARP Table: IP/MAC address mappings for some LAN nodes:IP address; MAC address; TTL>
• TTL (Time To Live):time after which address mapping will be forgotten (typically 20 min)

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ARP Command

• arp 命令本身用于查看 ARP 表中的当前信息。
• 该表将网段上机器的 IP 地址与它们的 MAC 地址进行了映射。

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NAT Protocol

如何将数据包从专用网络内的集群节点发送到外部世界（反之亦然）？

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NAT is a router function where IP addresses (and possibly port numbers) of IP datagrams are replaced at the boundary of a private network

• Run on routers that connect private networks to the public Internet
• Replace the IP address-port pair of an IP packet with another IP address-port pair
• 使专用网络「private network」上的主机能够与 Internet 上的主机进行通信

Also known as:

• IP Masquerading - Linux
• Port Address Translation (PAT) - Cisco

Private Network

Private IP network is an IP network that is not directly connected to the Internet.

• Not allocated to any specific organization
• Non-routable: IP packets addressed by them cannot be transmitted onto the public Internet

Private IP address ranges:

这些地址通常用于家庭、办公室和企业局域网（LAN）。

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NAT Motivation

Motivation: "Single Entry Point" -> uses just one IP address for the whole cluster as far as outside world is concerned:

• 可以在不通知外界的情况下更改本地网络中设备的IP地址（易于使用）
• 可以在不改变本地网络设备IP地址的情况下更换ISP（方便管理）
• Devices inside local net not explicitly addressable, visible by outside world (more secure).「本地网内的设备不可明确寻址，但可被外界看到（更安全）。」

Claim: 50% of broadband users are behind NATs

Outgoing Web Client Through NAT:

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原理：实际上是NAT服务器在做端口映射。

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*注意：伪装会更改源端口以及源地址，以确保多路分解。值取决于实现。