04-ARP:地址解析协议

1. 

   
   当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时，是根据 48 bit的以太网地址来确定目的接口的。设备驱动程序从不检查 I P数据报中的目的I P地址。
   地址解析为这两种不同的地址形式提供映射： 32 bit的I P地址和数据链路层使用的任何类型的地址。
   A R P（地址解析协议）和R A R P（逆地址解析协议）。
   A R P为I P地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。之所以用动态这个词是因为这个过程是自动完成的，一般应用程序用户或系统管理员不必关心。
   R A R P是被那些没有磁盘驱动器的系统使用（一般是无盘工作站或 X终端），它需要系统管理员进行手工设置。

2.例子

敲入下面这个形式的命令：
% ftp bsdi
会进行以下这些步骤。
1)  应用程序FTP客户端调用函数g e t h o s t b y n a m e(3)把主机名（bsdi）转换成32 bit的IP地址。这个函数在D N S（域名系统）中称作解析器。这个转换过程或者使用DNS，或者在较小网络中使用一个静态的主机文件（/e t c / h o s t s）。
2)  F T P客户端请求T C P用得到的I P地址建立连接。
3)T C P发送一个连接请求分段到远端的主机，即用上述 I P地址发送一份 I P数据报.
4)  如果目的主机在本地网络上（如以太网、令牌环网或点对点链接的另一端），那么I P数据报可以直接送到目的主机上。如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过 I P选路函数来确定位于本地网络上的下一站路由器地址，并让它转发 I P数据报。在这两种情况下，I P数据报都是被送到位于本地网络上的一台主机或路由器。
5)假定是一个以太网，那么发送端主机必须把 32 bit的I P地址变换成48 bit的以太网地址。
从逻辑I n t e r n e t地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是 A R P的功能。 A R P本来是用于广播网络的，有许多主机或路由器连在同一个网络上。
6) A R P发送一份称作 A R P请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播，如图 4 - 2中的虚线所示。 A R P请求数据帧中包含目的主机的 I P地址（主机名为b s d i），其意思是“如果你是这个I P地址的拥有者，请回答你的硬件地址。”
7)  目的主机的 A R P层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的 I P地址，于是发送一个A R P应答。这个A R P应答包含I P地址及对应的硬件地址。
8)  收到A R P应答后，使A R P进行请求—应答交换的I P数据报现在就可以传送了。
9)  发送I P数据报到目的主机。
在A R P背后有一个基本概念，那就是网络接口有一个硬件地址（一个 48 bit的值，标识不同的以太网或令牌环网络接口）。在硬件层次上进行的数据帧交换必须有正确的接口地址。但是，T C P / I P有自己的地址： 32 bit的I P地址。知道主机的I P地址并不能让内核发送一帧数据给主机。内核（如以太网驱动程序）必须知道目的端的硬件地址才能发送数据。 A R P的功能是在32 bit的I P地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射。
点对点链路不使用A R P。当设置这些链路时（一般在引导过程进行），必须告知内核链路每一端的I P地址。像以太网地址这样的硬件地址并不涉及。

3.ARP高速缓存
A R P高效运行的关键是由于每个主机上都有一个 A R P高速缓存。这个高速缓存存放了最近I n t e r n e t地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为 2 0分钟，起始时间从被创建时开始算起。
我们可以用a r p命令来检查ARP高速缓存。参数-a的意思是显示高速缓存中所有的内容。
bsdi % arp -a
sun (140.252.13.33) at 8:0:20:3:f6:42
svr4 (140.252.13.34) at 0:0:c0:c2:9b:26
48 bit的以太网地址用6个十六进制的数来表示，中间以冒号隔开。

4.ARP的分组格式

在以太网上解析 I P地址时， A R P请求和应答分组的格式如图 4 - 3所示（A R P可以用于其他类型的网络，可以解析 I P地址以外的地址。紧跟着帧类型字段的前四个字段指定了最后四个字段的类型和长度）。
以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全 1的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。
两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于 A R P请求或应答来说，该字段的值为0 x 0 8 0 6。
h a r d w a r e (硬件)和p r o t o c o l (协议)用来描述A R P分组中的各个字段。例如，一个 A R P请求分组询问协议地址（这里是 I P地址）对应的硬件地址（这里是以太网地址）。
硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为 1即表示以太网地址。协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为 0 x 0 8 0 0即表示 I P地址。它的值与包含 I P数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同
操作字段指出四种操作类型，它们是 A R P请求（值为1）、A R P应答（值为2）、R A R P请求（值为3）和R A R P应答（值为4）。这个字段必需的，因为 A R P请求和A R P应答的帧类型字段值是相同的。
接下来的四个字段是发送端的硬件地址（在本例中是以太网地址）、发送端的协议地址（I P地址）、目的端的硬件地址和目的端的协议地址。注意，这里有一些重复信息：在以太网的数据帧报头中和A R P请求数据帧中都有发送端的硬件地址。
对于一个A R P请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本机的 A R P请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为 2，最后把它发送回去。

5.ARP举例

5.1一般例子
为了看清楚A R P的运作过程，我们执行 t e l n e t命令与无效的服务器连接。

当我们在另一个系统（ s u n）上运行带有- e选项的 t c p d u m p命令时，显示的是硬件地址（在我们的例子中是48 bit的以太网地址）。    
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在第1行中，源端主机（ b s d i）的硬件地址是 0 : 0 : c 0 : 6 f : 2 d : 4 0。目的端主机的硬件地址是ff : ff : ff : ff : ff : ff，这是一个以太网广播地址。电缆上的每个以太网接口都要接收这个数据帧并对它进行处理
第1行中紧接着的一个输出字段是 a r p，表明帧类型字段的值是 0 x 0 8 0 6，说明此数据帧是一个A R P请求或回答。
在每行中，单词 a r p或i p后面的值6 0指的是以太网数据帧的长度。由于 A R P请求或回答的数据帧长都是4 2字节（2 8字节的A R P数据，1 4字节的以太网帧头），因此，每一帧都必须加入填充字符以达到以太网的最小长度要求： 6 0字节。
第1行中的下一个输出字段 arp who-has表示作为A R P请求的这个数据帧中，目的 I P地址是s v r 4的地址，发送端的 I P地址是b s d i的地址。 t c p d u m p打印出主机名对应的默认 I P地址
从第 2行中可以看到，尽管 A R P请求是广播的，但是 A R P应答的目的地址却是 b s d i （0 : 0 : c 0 : 6 f : 2 d : 4 0）。A R P应答是直接送到请求端主机的，而是广播的。
tcpdump打印出arp reply的字样，同时打印出响应者的主机名和硬件地址。
第3行是第一个请求建立连接的 T C P段。它的目的硬件地址是目的主机 (s v r 4)。

5.2 对不存在主机的ARP请求

5.3 ARP高速缓存超时设置
在A R P高速缓存中的表项一般都要设置超时值。从伯克利系统演变而来的系统一般对完整的表项设置超时值为2 0分钟，而对不完整的表项设置超时值为 3分钟。当这些表项再次使用时，这些实现一般都把超时值重新设为 2 0分钟。

6.ARP代理
如果A R P请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求，这个过程称作委托 A R P或A R P代理(Proxy ARP)。这样可以欺骗发起A R P请求的发送端，使它误以为路由器就是目的主机，而事实上目的主机是在路由器的“另一边”。路由器的功能相当于目的主机的代理，把分组从其他主机转发给它。

A R P代理的其他用途：通过两个物理网络之间的路由器可以互相隐藏物理网络。在这种情况下，两个物理网络可以使用相同的网络号，只要把中间的路由器设置成一个 A R P代理，以响应一个网络到另一个网络主机的 A R P请求。这种技术在过去用来隐藏一组在不同物理电缆上运行旧版 T C P / I P的主机。分开这些旧主机有两个共同的理由，其一是它们不能处理子网划分，其二是它们使用旧的广播地址。

7.免费ARP
另一个 A R P特性称作免费 ARP (gratuitous ARP)。它是指主机发送 A R P查找自己的I P地址。通常，它发生在系统引导期间进行接口配置的时候。
在互联网中，如果我们引导主机 b s d i并在主机s u n上运行t c p d u m p命令，可以看到如图4 - 7所示的分组。

免费A R P可以有两个方面的作用：
1) 一个主机可以通过它来确定另一个主机是否设置了相同的 I P地址。
2) 如果发送免费 A R P的主机正好改变了硬件地址（很可能是主机关机了，并换了一块接口卡，然后重新启动），那么这个分组就可以使其他主机高速缓存中旧的硬件地址进行相应的更新。

8.ARP命令
-a来显示A R P高速缓存中的所有内容.
超级用户可以用选项- d来删除A R P高速缓存中的某一项内容.
- s来增加高速缓存中的内容
位于命令行末尾的关键字 p u b和- s选项一起，可以使系统起着主机 A R P代理的作用。

来源: TCP/IP 卷一