网络技术基础知识一之ARP协议概说

1　 ARP协议概述
　　
　　ARP协议和ICMP协议是常用的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
　　
　　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Windows环境中，ARP条目的寿命是2分钟，在大部分Cisco交换机中，该值是5分钟。
　　
　　在工作站PC的Windows环境中，可以使用命令arp -a查看当前的ARP缓存，如图3所示。而在路由器和交换机中可以命令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
　　　
　　图4　 路由器中show arp命令的输出
　　
　　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网络设备的硬件地址。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服务器则响应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服务器的IP地址等信息。
　　
　　4　代理ARP
　　
　　代理ARP（PROXY ARP）也被称作混杂ARP（Promiscuous ARP）（RFC 925、1027）一般被像路由器这样的设备使用--用来代替处于另一个网段的主机回答本网段主机的ARP请求。
　　
　　下面是代理ARP的应用之一，如图5所示，主机PC1（192.168.20.66/24）需要向主机PC2（192.168.20.20/24）发送报文，因为主机PC1不知道子网的存在且和目标主机PC2在同一主网络网段，所以主机PC1将发送ARP请求广播报文请求192.168.20.20的MAC地址。这时，路由器将识别出报文的目标地址属于另一个子网（注意，路由器的接口IP地址配置的是28位的掩码），因此向请求主机回复自己的硬件地址（0004.dd9e.cca0）。之后，PC1将发往PC2的数据包都发往MAC地址0004.dd9e.cca0（路由器的接口E0/0），由路由器将数据包转发到目标主机PC2。（接下来路由器将为PC2做同样的代理发送数据包的工作）。这种ARP使得子网化网络拓扑对于主机来说时透明的（或者可以说是路由器以一个不真实的PC2的MAC地址欺骗了源主机PC1）。
　　 　
　　图5　 代理ARP
　　
　　5　无故ARP
　　
　　无故（Gratuitous ARP，GARP）ARP也称为无为ARP。主机有时会使用自己的IP地址作为目标地址发送ARP请求。这种ARP请求称为无故ARP，GARP，主要有两个用途：
　　
　　（1）检查重复地址（如果收到ARP响应表明存在重复地址）。
　　
　　（2）用于通告一个新的数据链路标识。当一个设备收到一个arp请求时，发现arp缓冲区中已有发送者的IP地址，则更新此IP地址的MAC地址条目。
　　
　　如图6所示，显示了一台Cisco路由器在其加电启动后、引导过程中向网络宣布自己的一个以太网接口（Ethernet 0）的MAC地址以及IP地址的包。

图6　 无故ARP
　　
　　从图中可以看出，这个ARP包的类型编码是2，代表一个ARP应答消息（但是之前并没有对此IP的ARP请求消息）。这个ARP包的源硬件地址（MAC地址）是路由器的这个接口的MAC地址，目标硬件地址（MAC地址）使用的是广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）；而源和目标协议地址（IP地址）都是此接口自身的IP地址。此ARP包用于设备（路由器）向网络宣告自身的IP地址和MAC地址映射，也用于检查是否有重复（冲突）的IP地址。