計算機網(wǎng)路實驗5地址解析協(xié)議ARP

1、實驗5 地址解析協(xié)議（ARP）【實驗?zāi)康摹?.  掌握ARP協(xié)議的報文格式2.  掌握ARP協(xié)議的工作原理3.  理解ARP高速緩存的作用4.  掌握ARP請求和應(yīng)答的實現(xiàn)方法5.  掌握ARP緩存表的維護過程【學(xué)時分配】4學(xué)時【實驗環(huán)境】該實驗采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二【實驗內(nèi)容】一. 物理地址與邏輯地址1.  物理地址物理地址是節(jié)點的地址，由它所在的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)定義。物理地址包含在數(shù)據(jù)鏈路層的幀中。物理地址是最低一級的地址。物理地址的長度和格式是可變的，取決于具體的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)使用寫在網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）上的6字節(jié)的標識作為物理地址。物理地

2、址可以是單播地址（一個接收者）、多播地址（一組接收者）或廣播地址（由網(wǎng)絡(luò)中的所有主機接收）。有些網(wǎng)絡(luò)不支持多播或廣播地址，當需要把幀發(fā)送給一組主機或所有主機時，多播地址或廣播地址就需要用單播地址來模擬。2.  邏輯地址在互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中僅使用物理地址是不合適的，因為不同網(wǎng)絡(luò)可以使用不同的地址格式。因此，需要一種通用的編址系統(tǒng)，用來惟一地標識每一臺主機，而不管底層使用什么樣的物理網(wǎng)絡(luò)。邏輯地址就是為此目的而設(shè)計的。目前Internet上的邏輯地址是32位地址，通常稱為IP地址，可以用來標識連接在Internet上的每一臺主機。在Internet上沒有兩個主機具有同樣的IP地址。邏輯地址可

3、以是單播地址、多播地址和廣播地址。其中廣播地址有一些局限性。在實驗三中將詳細介紹這三種類型的地址。二. ARP協(xié)議簡介Internet是由各種各樣的物理網(wǎng)絡(luò)通過使用諸如路由器之類的設(shè)備連接在一起組成的。主機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到另一臺主機時可能要經(jīng)過多種不同的物理網(wǎng)絡(luò)。主機和路由器都是在網(wǎng)絡(luò)層通過邏輯地址來識別的，這個地址是在全世界范圍內(nèi)是惟一的。然而，數(shù)據(jù)包是通過物理網(wǎng)絡(luò)傳遞的。在物理網(wǎng)絡(luò)中，主機和路由器通過其物理地址來識別的，其范圍限于本地網(wǎng)絡(luò)中。物理地址和邏輯地址是兩種不同的標識符。這就意味著將一個數(shù)據(jù)包傳遞到一個主機或路由器需要進行兩級尋址：邏輯地址和物理地址。需要能將一個邏輯地址映射到相應(yīng)

4、的物理地址。ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議）是“Address Resolution Protocol”的縮寫。所謂“地址解析”就是主機在發(fā)送幀前將目的邏輯地址轉(zhuǎn)換成目的物理地址的過程。在使用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)中，ARP協(xié)議完成將IP地址映射到MAC地址的過程。三. ARP報文格式下圖為ARP數(shù)據(jù)報的報文格式：圖2-1  ARP報文格式ARP報文格式具有如下的一些字段：  硬件類型：這是16位字段，用來定義運行ARP的網(wǎng)絡(luò)的類型。每一個局域網(wǎng)基于其類型被指派給一個整數(shù)。例如，以太網(wǎng)的硬件類型是1。ARP可用在任何網(wǎng)絡(luò)上。  協(xié)議類型：這是16位字段。用來定義協(xié)議的

5、類型。例如，對IPv4協(xié)議，這個字段的值是0x0800。ARP可用于任何高層協(xié)議。  硬件地址長度：這是一個8位字段，用來定義以字節(jié)為單位的物理地址長度。例如，以太網(wǎng)物理地址為6字節(jié)，所對應(yīng)的硬件地址長度值為6。  協(xié)議地址長度：標識用于該數(shù)據(jù)包的邏輯地址的長度，用十進制標識，單位為一個字節(jié)，例如，IPv4為4個字節(jié)，所對應(yīng)的協(xié)議地址長度值為4。  操作碼：這是16位字段，用來定義數(shù)據(jù)包的類型。已定義了兩種類型：為1時表示ARP請求，為2時表示ARP應(yīng)答。  發(fā)送端硬件地址：這是可變長度字段，用來定義發(fā)送端的物理地址。對于以太網(wǎng)這個字段是6字節(jié)長。

6、60; 發(fā)送端邏輯地址：這是可變長度字段，用來定義發(fā)送端的邏輯地址。對于邏輯地址為IP地址的網(wǎng)絡(luò)，該字段長度為4字節(jié)。  目的端硬件地址：這是可變長度字段，用來定義目標的物理地址。對于ARP請求，字段是全0，因為發(fā)送端不知道目標的物理地址（該字段長度為可變，如以太網(wǎng)硬件地址為6個字節(jié)）。  目的端邏輯地址：這是可變長度字段，用來定義目標的邏輯地址（該字段長度為可變，如IPv4協(xié)議的邏輯地址為4個字節(jié)）。四. ARP封裝ARP數(shù)據(jù)報直接封裝在數(shù)據(jù)鏈路幀中。例如，在下圖中，ARP數(shù)據(jù)包封裝在以太網(wǎng)的幀中。類型字段值為0x0806指出了此幀所攜帶的數(shù)據(jù)是ARP數(shù)據(jù)包。圖2-2&#

7、160; ARP數(shù)據(jù)包的封裝五. ARP的運行過程數(shù)據(jù)包傳輸過程可分為如下步驟：1.  發(fā)送端知道目的端的IP地址。2.  IP要求ARP創(chuàng)建一個ARP請求報文，其中包含了發(fā)送方的物理地址、發(fā)送方的IP地址和目的端的IP地址。目的端的物理地址用0填充。3.  將報文傳遞到數(shù)據(jù)鏈路層，并在該層中用發(fā)送方的物理地址作為源地址，用物理廣播地址作為目的地址，將其封裝在一個幀中。4.  因為該幀中包含了一個廣播目的地址，所以同一鏈路中的每個主機或路由器都接收到這個幀。所有接收到該幀的主機都將其傳遞到ARP層進行處理。除了目的端主機以外的所有主機都丟棄該報文。5.&

8、#160; 目的端主機用一個包含其物理地址的ARP應(yīng)答報文做出響應(yīng)，并對該報文進行單播。6.  發(fā)送方接收到這個應(yīng)答報文，這樣它就知道了目標主機的物理地址。ARP地址解析過程如下圖所示。圖2-3  ARP地址解析過程六. ARP高速緩存在真正的協(xié)議實現(xiàn)中，并不是每次發(fā)送IP報文前都需要發(fā)送ARP請求報文來獲取目的MAC地址。在大多數(shù)的系統(tǒng)中都存在著一個ARP緩存表。記錄著一段時間內(nèi)曾經(jīng)獲取過的MAC地址和IP地址的映射關(guān)系，如下圖所示：圖2-4  ARP高速緩存發(fā)送IP數(shù)據(jù)報前先對ARP緩存表進行查找，查看目的MAC地址是否存在于緩存表中，如果存在，則不需要發(fā)送A

9、RP請求報文而直接使用此地址進行IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送。如果不存在，則發(fā)送ARP請求報文，在收到ARP應(yīng)答報文之后，使用應(yīng)答報文中的目的MAC地址發(fā)送IP數(shù)據(jù)包，并將目的MAC地址存于ARP緩存表中供以后使用。另外，ARP緩存表采用老化機制，在一段時間內(nèi)如果表中的某一項沒有使用，就會被刪除，這樣可以大大減少ARP緩存表的長度，加快查詢速度。下圖描述了ARP高速緩存的使用與更新過程：圖2-5  ARP高速緩存的使用與更新過程七. 代理ARP代理ARP可用來產(chǎn)生劃分子網(wǎng)的效應(yīng)。如果ARP請求是從一個網(wǎng)絡(luò)中的主機發(fā)往另一個網(wǎng)絡(luò)中的主機，那么連接這兩個網(wǎng)絡(luò)的路由器就可以回答該請求，當這個路由器收到

10、真正的IP數(shù)據(jù)包時，它就把該數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的主機或路由器。例如，在下圖所示的網(wǎng)絡(luò)中，安裝在右邊主機上的代理ARP應(yīng)答對目標IP地址為141.23.56.23的ARP請求。圖2-6  代理ARP八. 協(xié)議棧實現(xiàn)代碼解析本實驗將通過對netproto_arp_student.h和netproto_arp_student.c兩個文件進行編碼，完成協(xié)議棧中arp協(xié)議的實現(xiàn)。netproto_arp_student.h文件中定義了arp協(xié)議實現(xiàn)相關(guān)數(shù)值，關(guān)鍵代碼如下所示：這段代碼定義了8個宏，他們代表的含義如下表所示：表2-1  netproto_arp_student.h中定義的

11、宏在實驗的編碼過程中，應(yīng)該使用這些宏對相應(yīng)的變量進行賦值。netproto_arp_student.c文件是協(xié)議棧中arp協(xié)議的實現(xiàn)部分，其中定義了1個全局數(shù)組以及3個函數(shù)。下面分別介紹這些協(xié)議棧的實現(xiàn)部分。全局數(shù)組netp_arp_table是arp協(xié)議的緩存表，擁有NETP_ARP_TABLE_SIZE個netp_arp_table_item元素。其中NETP_ARP_TABLE_SIZE是arp緩存表的條目數(shù)，默認值為10，同學(xué)們不需要修改。netp_arp_table_item是一個結(jié)構(gòu)體，代表了arp緩存表中的一個條目，包括一個物理地址hardware_addr和一個IP地址ip_a

12、ddress，其定義如下：需要根據(jù)arp協(xié)議的實現(xiàn)原理編寫代碼來維護arp緩存表。函數(shù)display_arp_table的功能是顯示arp緩存表中的條目，在實驗中可以直接調(diào)用該函數(shù)，便于查看arp緩存表中的內(nèi)容。函數(shù)netp_arp_output_student的功能是構(gòu)造并發(fā)送一個arp請求數(shù)據(jù)包。這個函數(shù)的編碼工作需要由學(xué)生完成。當有數(shù)據(jù)到達本機網(wǎng)絡(luò)接口時，函數(shù)netp_arp_input_student將被調(diào)用，并傳遞給這個函數(shù)原始數(shù)據(jù)。在本實驗中該函數(shù)需要完成兩個功能，一是處理針對本機的arp請求數(shù)據(jù)包，二是處理針對本機的arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包。處理針對本機的arp請求數(shù)據(jù)包時，應(yīng)該發(fā)送相應(yīng)

13、的arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包。處理針對本機的arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包時，應(yīng)該更新arp緩存表。這個函數(shù)的編碼工作需要由學(xué)生完成。該函數(shù)的返回值為push_to_lwip的枚舉類型值，push_to_lwip的定義如下：返回NETP_PUSH_TO_LWIP表示這個數(shù)據(jù)幀應(yīng)該提交給協(xié)議棧上層繼續(xù)處理，而返回NETP_NO_PUSH_LIWP則表示不需要提交給協(xié)議棧上層處理，本層處理完畢后，這個數(shù)據(jù)幀將被丟棄。需要根據(jù)正確的邏輯關(guān)系返回適當?shù)闹?，使協(xié)議棧正常工作。在編碼過程中可能會遇到一些結(jié)構(gòu)體、宏和函數(shù)，下表對他們進行介紹：表2-2  實驗涉及的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)九. 各模塊推薦流程1.  arp請

14、求發(fā)送流程編碼實現(xiàn)arp請求數(shù)據(jù)包發(fā)送推薦使用如下流程：圖2-7  arp請求數(shù)據(jù)包發(fā)送推薦流程2.  輸入arp數(shù)據(jù)包處理流程編碼實現(xiàn)處理arp輸入數(shù)據(jù)包推薦使用如下流程：圖2-8  處理arp輸入數(shù)據(jù)包推薦流程【實驗步驟】練習(xí)1 領(lǐng)略真實的ARP（同一子網(wǎng)）各主機打開協(xié)議分析器，進入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并驗證網(wǎng)絡(luò)拓撲的正確性，如果通過拓撲驗證，關(guān)閉協(xié)議分析器繼續(xù)進行實驗，如果沒有通過拓撲驗證，請檢查網(wǎng)絡(luò)連接。本練習(xí)將主機A、B、C、D、E、F作為一組進行實驗。1.  主機A、B、C、D、E、F啟動協(xié)議分析器，打開捕獲窗口進行數(shù)據(jù)捕獲并設(shè)置過濾條件（提取AR

15、P、ICMP）。2.  主機A、B、C、D、E、F在命令行下運行“arp -d”命令，清空ARP高速緩存。3.  主機A ping 主機D（172.16.1.4）。4.  主機E ping 主機F（172.16.0.3）。5.  主機A、B、C、D、E、F停止捕獲數(shù)據(jù)，并立即在命令行下運行“arp -a”命令察看ARP高速緩存。  ARP高速緩存表由哪幾項組成？  結(jié)合協(xié)議分析器上采集到的ARP報文和ARP高速緩存表中新增加的條目，簡述ARP協(xié)議的報文交互過程以及ARP高速緩存表的更新過程。練習(xí)2 編輯并發(fā)送ARP報文（同一子網(wǎng)）本練

16、習(xí)將主機A、B、C、D、E、F作為一組進行實驗。1.  在主機E上啟動協(xié)議編輯器，并編輯一個ARP請求報文。其中：MAC層：目的MAC地址：設(shè)置為FFFFFF-FFFFFF源MAC地址：設(shè)置為主機E的MAC地址協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度：0806ARP層：發(fā)送端硬件地址：設(shè)置為主機E的MAC地址發(fā)送端邏輯地址：設(shè)置為主機E的IP地址（172.16.0.2）目的端硬件地址：設(shè)置為000000-000000目的端邏輯地址：設(shè)置為主機F的IP地址（172.16.0.3）2.  主機B、F啟動協(xié)議分析器，打開捕獲窗口進行數(shù)據(jù)捕獲并設(shè)置過濾條件（提取ARP協(xié)議）。3.  主機B、E

17、、F在命令行下運行“arp -d”命令，清空ARP高速緩存。主機E發(fā)送已編輯好的ARP報文。4.  主機B、F停止捕獲數(shù)據(jù)，分析捕獲到的數(shù)據(jù)，進一步體會ARP報文交互過程。練習(xí)3 跨路由地址解析（不同子網(wǎng)）本練習(xí)將主機A、B、C、D、E、F作為一組進行實驗。1.  主機B在命令行方式下輸入staticroute_config命令，開啟靜態(tài)路由服務(wù)。2.  主機A、B、C、D、E、F在命令行下運行“arp -d”命令，清空ARP高速緩存。3.  主機A、B、C、D、E、F重新啟動協(xié)議分析器，打開捕獲窗口進行數(shù)據(jù)捕獲并設(shè)置過濾條件（提取ARP、ICMP）。4

18、.  主機A ping 主機E（172.16.0.2）。5.  主機A、B、C、D、E、F停止數(shù)據(jù)捕獲，察看協(xié)議分析器中采集到的ARP報文，并回答以下問題：  單一ARP請求報文是否能夠跨越子網(wǎng)進行地址解析？為什么？  ARP地址解析在跨越子網(wǎng)的通信中所起到的作用？6.  主機B在命令行方式下輸入recover_config命令，停止靜態(tài)路由服務(wù)。練習(xí)4 發(fā)送arp請求功能的實現(xiàn)本練習(xí)將主機A、B和C作為一組，主機D、E和F作為一組?，F(xiàn)僅以主機A、B、C所在組為例，其它組的操作參考主機A、B、C所在組的操作。在實驗中，主機A將新接口的IP地址設(shè)

19、置為172.16.1.12、主機B使用物理接口2，將新接口的IP設(shè)置為172.16.0.11、主機C將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.1.13、主機D使用處于連接狀態(tài)的物理接口，將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.1.14、主機E使用處于連接狀態(tài)的物理接口，將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.0.12、主機F將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.0.13。所有主機使用子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，默認網(wǎng)關(guān)設(shè)置為0.0.0.0。1.  所有主機編碼實現(xiàn)發(fā)送arp請求數(shù)據(jù)包（1）各主機打開netproto_arp_student.c文件，在函數(shù)netp_arp_output

20、_student內(nèi)編寫實現(xiàn)代碼。（2）參考實驗原理arp請求數(shù)據(jù)包發(fā)送推薦流程圖給出的流程，分析已經(jīng)存在的代碼。已經(jīng)存在的代碼定義了一個能容納arp請求數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)arp_buffer、一個以太網(wǎng)幀頭結(jié)構(gòu)變量eth_header和一個arp包頭結(jié)構(gòu)變量arp_header、以及將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)。（3）構(gòu)造、填充以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭構(gòu)造并填充一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭。目的MAC地址設(shè)置為廣播地址即FF-FF-FF-FF-FF-FF。源MAC地址設(shè)置為本接口的MAC地址，可以使用netp_current_hw_addr函數(shù)獲取本接口的MAC地址。協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度字段值應(yīng)設(shè)置為0x0806，表

21、示上層協(xié)議為arp協(xié)議，可以使用MAC_PROTO_ARP宏。（4）構(gòu)造、填充ARP數(shù)據(jù)包頭構(gòu)造并填充一個ARP數(shù)據(jù)包頭。ARP數(shù)據(jù)包頭中各字段值的填充如下：硬件類型值為0x0001，可以使用ARP_HWTYPE_ETH宏。協(xié)議類型值為0x0800，可以使用ARP_PROTOTYPE_IP宏。硬件地址長度值為0x06，可以使用ARP_HWADDR_LEN_ETH宏。協(xié)議地址長度值為0x04，可以使用ARP_PROTOADDR_LEN_IP宏。操作碼值為0x0001，可以使用ARP_OPCODE_REQUEST宏。發(fā)送端硬件地址值為本接口的MAC地址，可以使用netp_current_hw_ad

22、dr函數(shù)獲取本接口的MAC地址。發(fā)送端邏輯地址值為本接口的IP地址，可以使用netp_current_ip_addr函數(shù)獲取本接口的IP地址。目的端硬件地址值為0。主機A使用172.16.1.3作為目的端邏輯地址、主機C使用172.16.1.4作為目的端邏輯地址、主機D使用172.16.1.2作為目的端邏輯地址。（5）將構(gòu)造完成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭和ARP數(shù)據(jù)包頭拷貝到緩沖區(qū)。2.  所有主機打開協(xié)議分析器，開始捕獲數(shù)據(jù)3.  所有主機調(diào)試并運行程序4.  各主機停止數(shù)據(jù)捕獲，觀察實驗現(xiàn)象5.  參考代碼如下：練習(xí)5 處理輸入的arp數(shù)據(jù)包功能的實現(xiàn)本練習(xí)將

23、主機A、B和C作為一組，主機D、E和F作為一組?，F(xiàn)僅以主機A、B、C所在組為例，其它組的操作參考主機A、B、C所在組的操作。該練習(xí)需要在前一個練習(xí)的基礎(chǔ)上進行。在實驗中，主機A將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.1.12、主機B使用物理接口2，將新接口的IP設(shè)置為172.16.0.11、主機C將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.1.13、主機D使用處于連接狀態(tài)的物理接口，將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.1.14、主機E使用處于連接狀態(tài)的物理接口，將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.0.12、主機F將新接口的IP地址設(shè)置為172.16.0.13。所有主機使用子網(wǎng)掩碼255.255.2

24、55.0，默認網(wǎng)關(guān)設(shè)置為0.0.0.0。1.  所有主機編碼實現(xiàn)arp數(shù)據(jù)包的過濾（1）各主機打開netproto_arp_student.c文件，在函數(shù)netp_arp_input_student內(nèi)編寫實現(xiàn)代碼，參考實驗原理處理arp輸入數(shù)據(jù)包推薦流程圖給出的流程，思考代碼編寫方案。（2）過濾arp數(shù)據(jù)包通過判斷以太網(wǎng)幀中的“協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度”字段值是否為0x0806（宏MAC_PROTO_ARP定義該數(shù)值）來過濾arp數(shù)據(jù)包。如果接收到的數(shù)據(jù)包不是arp數(shù)據(jù)包，則應(yīng)該返回NETP_PUSH_TO_LWIP交給協(xié)議棧處理。2.  處理arp請求數(shù)據(jù)包（1）判斷arp類型

25、通過arp包頭中的“操作碼”字段的值來判斷arp數(shù)據(jù)包類型，如果該值為0x0001（宏ARP_OPCODE_REQUEST定義了該數(shù)值），則這個arp包為arp請求報文，應(yīng)該返回arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包。（2）構(gòu)造arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)幀頭使用已經(jīng)定義的變量response_eth_header來構(gòu)造以太網(wǎng)幀頭。其中：目的MAC地址為arp請求數(shù)據(jù)包頭中的發(fā)送端硬件地址；源MAC地址為本接口的MAC地址；“協(xié)議類型與數(shù)據(jù)長度”字段值為0x0806（宏MAC_PROTO_ARP定義該數(shù)值）。（3）構(gòu)造arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包的arp包頭使用已經(jīng)定義的變量response_arp_header來構(gòu)造以太網(wǎng)幀頭。

26、其中：硬件類型值為0x0001，可以使用ARP_HWTYPE_ETH宏。協(xié)議類型值為0x0800，可以使用ARP_PROTOTYPE_IP宏。硬件地址長度值為0x06，可以使用ARP_HWADDR_LEN_ETH宏。協(xié)議地址長度值為0x04，可以使用ARP_PROTOADDR_LEN_IP宏。操作碼值為0x0002，可以使用ARP_OPCODE_RESPONSE宏。發(fā)送端硬件地址值為本接口的MAC地址，可以使用netp_current_hw_addr函數(shù)獲取本接口的MAC地址。發(fā)送端邏輯地址值為本接口的IP地址，可以使用netp_current_ip_addr函數(shù)獲取本接口的IP地址。目的端硬件地址值為arp請求數(shù)據(jù)包頭中的發(fā)送端硬件地址。目的端邏輯地址為arp請求數(shù)據(jù)包頭中的發(fā)送端邏輯地址。3.  處理arp應(yīng)答數(shù)據(jù)包（1）