ARP协议概说(组图)

 

 

　 ARP概述
　　
　　ARP和ICMP是常用的TCP/IP底层协议。在对网络故障进行诊断的时候，它们也是最常用的协议。
　　
　　ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个位于TCP/IP协议栈中的低层协议，负责将某个IP地址解析成对应的MAC地址。
　　
　　2　ARP工作原理
　　
　　2.1　ARP工作过程
　　
　　当一个基于TCP/IP的应用程序需要从一台主机发送数据给另一台主机时，它把信息分割并封装成包，附上目的主机的IP地址。然后，寻找IP地址到实际MAC地址的映射，这需要发送ARP广播消息。当ARP找到了目的主机MAC地址后，就可以形成待发送帧的完整以太网帧头。最后，协议栈将IP包封装到以太网帧中进行传送。
　　
　　如图1所示，描述了ARP广播过程。

图1 ARP广播过程

在图1中，当主机A要和主机B通信（如主机A Ping主机B）时。主机A会先检查其ARP缓存内是否有主机B的MAC地址。如果没有，主机A会发送一个ARP请求广播包，此包内包含着其欲与之通信的主机的IP地址，也就是主机B的IP地址。当主机B收到此广播后，会将自己的MAC地址利用ARP响应包传给主机A，并更新自己的ARP缓存，也就是同时将主机A的IP地址/MAC地址对保存起来，以供后面使用。主机A在得到主机B的MAC地址后，就可以与主机B通信了。同时，主机A也将主机B的IP地址/MAC地址对保存在自己的ARP缓存内。
　　
　　2.2　ARP报文格式
　　
　　ARP报文被封装在以太网帧头部中传输，如图2所示，是ARP请求协议报文头部格式。

图2　 ARP请求协议报文头部格式

图2中黄色的部分是以太网（这里是Ethernet II类型）的帧头部。其中，第一个字段是广播类型的MAC地址：0XFF-FF-FF-FF-FF-FF，其目标是网络上的所有主机。第二个字段是源MAC地址，即请求地址解析的主机MAC地址。第三个字段是协议类型，这里用0X0806代表封装的上层协议是ARP协议。
　　
　　接下来是ARP协议报文部分。其中各个字段的含义如下：
　　
　　硬件类型：表明ARP实现在何种类型的网络上。
　　
　　协议类型：代表解析协议（上层协议）。这里，一般是0800，即IP。
　　
　　硬件地址长度：MAC地址长度，此处为6个字节。
　　
　　协议地址长度：IP地址长度，此处为4个字节。
　　
　　操作类型：代表ARP数据包类型。0表示ARP请求数据包，1表示ARP应答数据包。
　　
　　源MAC地址：发送端MAC地址。
　　
　　源IP地址：代表发送端协议地址（IP地址）。
　　
　　目标MAC地址：目的端MAC地址（待填充）。
　　
　　目标IP地址：代表目的端协议地址（IP地址）。
　　
　　ARP应答协议报文和ARP请求协议报文类似。不同的是，此时，以太网帧头部的目标MAC地址为发送ARP地址解析请求的主机的MAC地址，而源MAC地址为被解析的主机的MAC地址。同时，操作类型字段为1，表示ARP应答数据包，目标MAC地址字段被填充以目标MAC地址。
　　
　　2.3　ARP缓冲区
　　
　　为了节省ARP缓冲区内存，被解析过的ARP条目的寿命都是有限的。如果一段时间内该条目没有被参考过，则条目被自动删除。在工作站PC的环境中，ARP条目的寿命是2分钟，在大部分机中，该值是5分钟。
　　
　　在工作站PC的环境中，可以使用命令arp -a查看当前的ARP缓存，如图3所示。而在器和机中可以命令show arp完成相同的功能，如图4所示。

图3　 Windows环境下，命令arp -a的输出

 

注意：ARP不能通过IP路由器发送广播，所以不能用来确定远程的硬件地址。对于目标主机位于远程网络的情况，IP利用ARP确定默认网关（路由器）的硬件地址，并将数据包发到默认网关，由路由器按它自己的方式转发数据包。
　　
　　3　反向ARP
　　
　　反向ARP（Reverse ARP，RARP）用于把物理地址（MAC地址）转换到对应的 IP 地址。例如，在无盘工作站启动的时候，因为无法从自身的操作系统获得自己的IP地址配置信息。这时，无盘工作站可发送广播请求获得自己的IP地址信息，而RARP则响应IP请求消息－为无盘工作站分配1个未用的IP地址（通过发送RARP应答包）。
　　
　　反向ARP（RARP）在很大程度上已被BOOTP、DHCP所替代，后面这两种协议对RARP的改进是可以提供除了IP地址外的其它更多的信息，如默认网关、DNS的IP地址等信息。

 

 

 

 

 

资料补充:

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Internet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20分钟，起始时间从被创建时开始算起。

1、ARP的分组格式

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ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。

      hardware(硬件)和protocol(协议)用来描述ARP分组中的各个字段。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0x0800即表示IP地址。
   
      接下来的两个1字节的字段，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。

      操作字段指出四种操作类型，它们是ARP请求(值为1)、ARP应答(值为2)、RARP请求(值为3)和RARP应答(值为4)。

      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(IP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ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。

2、ARP高速缓存超时设置
      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20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20分钟。

3、ARP代理
      如果ARP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ARP或ARP代理(ProxyARP)。这样可以欺骗发起ARP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。

4、免费ARP
      免费ARP(gratuitousARP)是指主机发送ARP查找自己的IP地址。通常，它发生在系统引导期间进行接口配置的时候。
   
      免费ARP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IP地址。
      2)如果发送免费ARP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。