网络：网络地址到虚拟地址的映射ARP

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-10-16 13:27 193阅读 0赞

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。

*  ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。我们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。
 *  RARP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。  
    ![在这里插入图片描述][20210608133931943.png]

# 实践 #

## 一般的例子 ##

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  
![在这里插入图片描述][20210608142011113.png]  
tcpdump抓包：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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
 *  输出字段是 arp，表明帧类型字段的值是 0x0806，说明此数据帧是  
    一个A R P请求或回答。
 *  在每行中，单词 arp或ip后面的值60指的是以太网数据帧的长度。  
    第一行的下一个输出arp who-has …：
 *  表示作为A R P请求的这个数据帧中，目的 IP地址是svr4的地址，发送端的 I P地址是bsdi的地址。

第2行中：

*  ARP应答直接将应答发送到0:0:c0:6f :2d:4 0，而不是广播
 *  arp reply…同时打印出响应者的主机名和硬件地址。

第3行的请求是建立连接的TCP字段。它的目的硬件地址是目的主机 (s v r 4)。

在每一行中，行号后面的数字表示tcpdump收到分组的时间（以秒为单位）。除第1行外，其他每行在括号中还包含了与上一行的时间差异（以秒为单位）。从这个图可以看出，发送ARP请求与收到A R P回答之间的延时是2.2 ms。而在0.7 ms之后发出第一段TCP报文。

## 对不存在的主机的ARP请求 ##

如果查询的主机已经关机或者不存在会发生什么情况呢？看个例子  
![在这里插入图片描述][202106081442047.png]  
tcpdump命令的输出：  
![在这里插入图片描述][20210608144243552.png]  
这一次，我们没有用-e选项，因为已经知道ARP请求是在网上广播的。

令人感兴趣的是看到多次进行ARP请求：第1次请求发生后5.5秒进行第2次请求，在24秒之后又进行第3次请求。tcpdump命令输出的超时限制为 29 . 5秒。但是，在telnet命令使用前后分别用 date命令检查时间，可以发现Telnet客户端的连接请求似乎在大约75秒后才放弃。事实上，我们在后面将看到，大多数的BSD实现把完成TCP连接请求的时间限制设置为75秒。

注意，在线路上将始终看不到TCP的报文段。必须ARP回答返回之后才能发送TCP报文段。因为硬件地址这时才可能知道

# 理论 #

ARP（Address Resolution Protocol）协议，地址解析协议。该协议的功能是将IP地址转化为物理地址。

*  只有当某个网络上的两台机器互相知道对方的物理地址时，才能进行通信
 *  当主机或者路由器需要在一个mac网络上发送分组时，必须把IP地址映射到正确的物理地址
 *  ARP能够在只知道同一物理网络上上一个目的站IP地址的情况下，找到目的主机的物理地址

## ARP工作原理 ##

运行命令：

$ ftp bsdi

会执行下面步骤：

*  应用程序FTP客户端调用函数gethostbyname把主机名bsdi转换成IP地址。这个函数在域名系统DNS中称为解析器。这个转换过程或使用DSN，或在较小网络中使用一个静态的主机文件(/etc/hosts)
 *  FTP客户端请求TCP，用得到的IP地址建立连接
 *  TCP发送一个连接请求到远程主机。即用上述IP地址发送一个IP数据报
 *  如果目的主机在本地网络上，那么IP数据包可以直接发送到目的主机上。如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过IP选路函数来确定位于本地网络上的下一跳路由器地址，并让它转发IP数据报。在这两种情况下，IP数据报都是被发送到位于本地网络上的一台主机或者路由器
 *  如果是一个以太网，那么发送端主机必须把IP地址变换成MAC地址。从逻辑internet地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是ARP的功能

ARP本来是用于广播网络的，由许多主机或者路由器连在同一个网络上

*  ARP发送一份称为ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称为“广播”，如下图中虚线所示。ARP请求数据帧中包含目的主机(bsdi)的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址”  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
 *  目的主机的ARP收到这份广播报文之后，识别出这是发送端在询问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。这个ARP应答包含IP地址以及对应的硬件地址
 *  收到ARP应答之后，使用ARP请求—应答交换的IP数据报就可以传送了
 *  发送IP数据报到目的主机。

在ARP背后由一个基本概念，那就是网络接口有一个硬件地址，在硬件层次上进行的数据帧交换必须由正确的接口地址。ARP的功能就是在IP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ARP。当设置这些链路时，必须告知内核链路每一段的IP地址。

## ARP高速缓存 ##

*  ARP高效运行的关键是由于每个主机上都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近IP地址和MAC地址之间的映射。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟，起始时间从被创建时开始算起。也就是说，当一台计算机发送一个ARP请求并接收到一个ARP应答时，就在高速缓存中保存IP地址以及对应的物理地址，便于以后查询

*  当发送分组时，计算机在发送ARP请求之前总是先去缓存中寻找所需的绑定。如果找到了就不需要在网上广播。
 *  ARP缓存提供了软状态(soft state)的一个例子，这种技术尝尝用于网络协议中。其名字描述了这样一种情况：信息可以在没有任何警告的情况下变得“失效”。
    
     *  假设有两台计算机A和B，都连接在一个以太网上。A发送了一个ARP请求，B做出了应答。再假设应答后B出现了故障，计算机A不会收到任何有关该故障的通道，而且，因为在A的ARP缓存中已经有了B的地址绑定信息，A将继续把分组发送给B。以太网硬件没有提供B不在线的指示，因为以太网并不为发送提供保证。这样，A没有办法知道自己的ARP缓冲中的信息什么时候变成错误的了
     *  为了适应软状态，更正错误的责任归于信息的拥有者。一般情况下，实现软状态的协议使用了计时器，当计时器超时后则删除状态信息。比如，当地址绑定信息放入ARP缓存时，协议需要设置一个计时器，典型的超时时间是20分钟，当世纪社区超时后，必须把信息删除

软状态的主要缺陷在于时延，如果计时器的间隔是N秒，发送方知道N秒之后才能检测到接收方已经出现了故障

我们可以用arp(8)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。

$ arp -a
    ? (192.168.0.17) at 4c:cc:6a:6b:21:3f [ether] on ens33
    ? (192.168.0.116) at <incomplete> on ens33
    gateway (192.168.0.1) at f0:10:90:25:a3:e6 [ether] on ens33
    ? (192.168.0.21) at 30:9c:23:64:85:40 [ether] on ens33
    ? (192.168.0.3) at 18:c0:4d:43:a5:b8 [ether] on ens33
    ? (192.168.6.1) at 08:10:7b:a5:9c:d0 [ether] on ens33
    ? (192.168.0.63) at 00:0c:29:b7:bd:81 [ether] on ens33

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

## ARP的改进 ##

协议中已经对ARP进行了几处改进：

*  第一：如果主机A因为要向主机B发送而正要使用ARP，那么，B也很可能即将向A发送。为了预计B的需要并必须额外的网络通信量，A在向B发出的请求中也包含了A的IP到物理地址的绑定。B从请求中提取出A的绑定，把它保存在自己的ARP缓冲中，然后向A发送应答
 *  第二：因为当A广播它的首次请求时，网络所有的机器都接收到该请求，并且可以从中提取出A的IP到物理地址的绑定，更新自己的ARP缓冲中的相应绑定内容
 *  第三：当一台计算机更换了自己的主机接口时，物理地址也就变了。此时，要通知网络上的在ARP中存有该机绑定的其他所有计算机，以便它们修改相应的项。系统可以在启动时发送一个ARP广播把它的新地址通知给主机。

总结：每个ARP广播中都包含发送方IP到物理地址的绑定，接收方在处理ARP分组之前，先更新缓冲中IP到物理地址的绑定信息

## ARP和其他协议的关系 ##

ARP提供一种把IP地址映射到物理地址的机制。如果网络硬件能识别IP地址，就完全不需要ARP。因此，ARP仅仅是在硬件所用的底层编制机制上强加了一个新的编制方法。

即：ARP是个隐藏底层网络MAC地址，允许给每台机器分配一个任意IP地址的底层协议。我们把ARP看做物理系统的一部分，而不是互联网协议的一部分

## ARP实现 ##

分为两部分：

*  在发送分组时把IP地址映射到物理地址上
 *  应答其他机器的请求

发送分组地址转换：

*  给定一个目的站的IP地址，软件查询它的ARP缓存，看是否有从该IP地址到物理地址的映射。如果有，则软件提取该物理地址，把数据放到使用该地址的帧中。如果没有，则软件必须广播一个ARP请求并等待应答
 *  但是目的地址可太忙不能以至于不能接收请求；ARP广播可能会丢失；机器A绑定了B然后B就出现了故障。。。。代码必须要处理这些情况

应答其他机器的请求：

*  当ARP分组到达时，软件首先提供发送方的IP地址和物理地址映射，并检查本地的高速缓存，看是否已经保存有这个表项：如果有就更新，没有就加入。此后接收方才处理ARP分组的其他部分
 *  接收方要处理两种到达的ARP分组：
    
     *  如果到达的是ARP请求：
        
         *  检查它自己是否是请求的目标：如果是，则ARP软件用本机的物理地址形成应答，并把应答直接发给请求发；如果不是，则忽略
         *  检查ARP请求中提取到的IP地址是不是在自己的高速缓存中：如果在就更新，不再就加入
     *  另一种情况：
        
         *  根据实现方式的不同，处理程序可能需要创建一个高速缓存表项，也可能在生成请求时就生成了这个表项

## 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下图所示  
![在这里插入图片描述][20210608140716177.png]

*  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。
 *  硬件/协议用来模式ARP分组中的各个字段。比如，一个ARP请求分组询问协议地址（这里是IP地址)对应硬件地址（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
 *  硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说，它们的值分别为 6和4。
 *  op指出四种操作类型，它们是ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）、R ARP请求（值为3）和RARP应答（值为4）
 *  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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## ARP的协议格式 ##

与大多数协议不同，ARP分组中的数据没有固定格式的首部，为了使ARP适用于多种网络技术，其地址字段的长度取决于网络类型。在首部开通附近包含一个固定的字段，可以在后继字段中找到地址的长度。

下面是一个例子：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 实战 ##

[https://blog.csdn.net/u011416247/article/details/80866725][https_blog.csdn.net_u011416247_article_details_80866725]  
[https://blog.csdn.net/longwang155069/article/details/49990673][https_blog.csdn.net_longwang155069_article_details_49990673]

执行ARP -a 看看缓存的arp列表：

![在这里插入图片描述][20201021174313608.png_pic_center]

# 总结 #

IP地址的分配是独立于机器的物理硬件地址的。为了把互联网分组通过物理网络从一台计算机发送到另一台，网络软件必须把IP地址映射到一个物理硬件地址，并用这个硬件地址传输该帧

通过广播ARP请求，一台机器可以使用ARP找到另一台机器的硬件地址。这个请求中包含一台机器的IP地址，需要找到IP地址对应的硬件地址。这个网络上所有机器都会收到ARP请求。如果请求的IP地址与某台机器的IP地址匹配，那么这台机器就会包含所需硬件地址的应答。

为了提高ARP的效率，每台机器都把IP地址到MAC地址的绑定保存在高速缓存中。

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