第3章(B)地址解析

第3章(B)地址解析第一頁，共48頁。 IP地址又稱為邏輯地址，邏輯地址由軟件進(jìn)行處理。建立邏輯地址與物理地址之間映射的方法通常有兩種：

靜態(tài)映射主要采用地址映射表格來實現(xiàn)邏輯地址與物理地址之間的映射。由于地址映射表一般由人工方式建立和維護(hù)，所以不能適應(yīng)物理地址和邏輯地址頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)。

動態(tài)映射是在需要獲得地址映射關(guān)系時利用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議直接從其他主機上獲得映射信息。因特網(wǎng)采用了動態(tài)映射的方法進(jìn)行地址映射。

2第二頁，共48頁。

邏輯地址與物理地址之間的映射稱為地址解析(Addressresolution)。地址解析包括兩個方面的內(nèi)容：

從IP地址到物理地址的映射 從物理地址到IP地址的映射TCP/IP用兩個協(xié)議來實現(xiàn)這兩種映射，一個是地址解析協(xié)議ARP，另一個是反向地址解析協(xié)議RARP。

ARP用于從IP地址到物理地址的映射

RARP用于從物理地址到IP地址的映射3第三頁，共48頁。第3章地址解析3.1地址解析協(xié)議(ARP)3.2反向地址解析協(xié)議(RARP)

3.3地址解析報文

3.3代理ARP4第四頁，共48頁。

3.1地址解析協(xié)議(ARP)3.1.1地址解析原理地址解析協(xié)議ARP使IP能夠獲得與某個給定IP地址相關(guān)的主機物理地址。 ARP的功能分為兩部分：發(fā)送數(shù)據(jù)包請求獲得目的主機的物理地址向請求物理地址的主機發(fā)送解析結(jié)果。當(dāng)主機A需要向同一物理網(wǎng)絡(luò)中的主機B發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，主機A的IP層要將IP數(shù)據(jù)報傳給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行幀封裝，封裝時要求給出目的主機的物理地址。5第五頁，共48頁。ARP請求幀將包括如下信息： 請求主機的物理地址PA 請求主機的IP地址IA 目的主機的IP地址IB

主機A在本地網(wǎng)絡(luò)中廣播ARP請求幀，請求幀的目的地址為廣播地址（全“1”）。ARP應(yīng)答幀直接發(fā)回給發(fā)送ARP請求的主機A。ARP應(yīng)答幀包含以下信息： 應(yīng)答主機的物理地址PB； 應(yīng)答主機的IP地址IB

； 請求主機的物理地址PA； 請求主機的IP地址IA6第六頁，共48頁。7第七頁，共48頁。利用從應(yīng)答幀中得到的目的主機的物理地址PB完成IP數(shù)據(jù)報的幀封裝，并將該幀發(fā)送給主B。這里需要注意兩點：<1>ARP請求幀在物理網(wǎng)絡(luò)中是以廣播方式發(fā)送的，ARP應(yīng)答幀是以單播方式發(fā)送的。<2>目的主機必須與源主機位于同一物理網(wǎng)絡(luò)。8第八頁，共48頁。3.1.2ARP緩存問題：如果每次在發(fā)送IP數(shù)據(jù)報前都重復(fù)上面的過程，勢必會帶來較大的開銷。廣播ARP請求不僅要耗費帶寬，而且使得本地網(wǎng)絡(luò)中的每臺主機都要處理該廣播幀，或忽略或給出響應(yīng)幀。解決：為了使地址解析時的廣播盡可能少，每臺主機都維護(hù)一個名為ARP高速緩存的本地列表。ARP高速緩存中含有最近使用過的IP地址與物理地址的映射列表。ARP請求和應(yīng)答方都把對方的地址映射存儲在ARP高速緩存中。9第九頁，共48頁。使用：當(dāng)發(fā)送IP數(shù)據(jù)報需要獲取目的主機的物理地址時，首先檢查它的ARP高速緩存，如果ARP高速緩存中已經(jīng)存在對應(yīng)的映射表項，則目的主機的硬件地址可以從ARP高速緩存中獲得，主機可以立即發(fā)送IP數(shù)據(jù)報。只有當(dāng)ARP高速緩存中不存在與該目的IP地址對應(yīng)的映射表項時，才廣播ARP請求。創(chuàng)建：由于ARP高速緩存位于內(nèi)存中，因此每次計算機或路由器重新啟動時，都必須動態(tài)地創(chuàng)建地址映射表。當(dāng)主機收到一個ARP請求幀或響應(yīng)幀時，檢查它的ARP高速緩存，如果ARP高速緩存中不存在對應(yīng)的映射表項，則將ARP請求幀或響應(yīng)幀中的發(fā)送方的IP地址和物理地址加入到ARP高速緩存中。

10第十頁，共48頁。1．ARP高速緩存中地址映射表項的超時

問題：由于IP地址與物理地址的映射關(guān)系可能因網(wǎng)絡(luò)接口或IP地址的變化而發(fā)生變化，對于ARP高速緩存中地址映射表項都存在一個過時的問題。

解決：給ARP高速緩存中的每一個表項設(shè)置一個超時值，使得每個地址映射表項都有一個生命期。

不同的TCP/IP實現(xiàn)使用不同的超時值，短的僅有幾十秒鐘，而長的則長達(dá)幾個小時。超時值越短，系統(tǒng)中出現(xiàn)的ARP請求廣播就越多。但若超時值過長，主機又不能及時地發(fā)現(xiàn)地址映射關(guān)系的改變，也可能會引起問題。11第十一頁，共48頁。2.靜態(tài)ARP表項一種控制地址映射表項超時值的方法是在ARP高速緩存中創(chuàng)建一個靜態(tài)表項。靜態(tài)表項是永不超時的地址映射表項。靜態(tài)表項主要用在一臺主機經(jīng)常向另一臺主機發(fā)送ARP請求的情況下。為了提高效率，減少不必要的開銷，可以在ARP高速緩存中創(chuàng)建一個靜態(tài)表項，使該地址映射表項始終存在于ARP高速緩存中，避免向某一主機發(fā)送ARP廣播。12第十二頁，共48頁。靜態(tài)表項也有可能發(fā)生變化：當(dāng)主機接收到ARP廣播，而且該廣播所含的地址信息與當(dāng)前ARP高速緩存中對應(yīng)的靜態(tài)表項不一致時，主機將用新收到的物理地址替代原有的物理地址，并為該表項設(shè)置超時值，使其不再是靜態(tài)表項。使用arp實用程序可以人工刪除靜態(tài)表項。重新啟動主機也會使靜態(tài)表項丟失。靜態(tài)表項的不足之處是不能很好地適應(yīng)地址映射的變化。13第十三頁，共48頁。3.1.3ARP實用程序通過arp實用程序，可以對ARP高速緩存進(jìn)行查看和管理。ARP命令可以顯示或刪除ARP高速緩存中的IP地址與物理地址的映射表項，而且還可以添加靜態(tài)表項。arp命令的格式如下：

arp-a[inet_addr]顯示地址映射表項，[]為可選項。arp-g[inet_addr]功能與arp-a[inet_addr]相同。arp-dinet_addr刪除由inet_addr所指定的表項。arp-sinet_addrphys_addr增加由inet_addr和phys_addr指定的靜態(tài)表項。inet_addr為點分十進(jìn)制格式的IP地址，phys_addr為十六進(jìn)制形式的物理地址，物理地址的字節(jié)之間用短橫線分割，例如，0C-26-1B-23-35-67。

14第十四頁，共48頁。3.1.3地址解析實例參與通信的源主機與目的主機可能位于同一個子網(wǎng)，也可能位于不同的子網(wǎng)。1.源主機與目的主機位于同一子網(wǎng)假設(shè)一臺IP地址為196.168.27.20的主機，希望向位于同一子網(wǎng)中IP地址為196.168.27.22的主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)報。15第十五頁，共48頁。進(jìn)行IP地址解析的過程如圖3-3和3-5所示，其具體步驟如下:16第十六頁，共48頁。17第十七頁，共48頁。（1）檢查本地ARP高速緩存當(dāng)試圖確定同一子網(wǎng)上目的主機的物理地址時，ARP首先檢查本地的ARP高速緩存，確定它是否含有目的主機的IP地址與物理地址的映射。如果包含，則取出目的主機的物理地址，利用物理地址將IP數(shù)據(jù)報封裝成幀。此時不需要廣播ARP請求，因為目的主機的物理地址已經(jīng)在以前的通信中被存入了本地的ARP高速緩存。如果ARP高速緩存中不包含相關(guān)的地址映射，則進(jìn)行下一步操作。18第十八頁，共48頁。（2）向目的主機發(fā)送ARP請求若ARP高速緩存不包含所需的地址映射，主機就會形成一個ARP請求，以物理廣播地址在本子網(wǎng)上廣播，并等待目的主機的應(yīng)答。（3）將請求者的地址信息寫入ARP高速緩存由于ARP請求是子網(wǎng)上的廣播，因而該子網(wǎng)上的每臺主機都會收到廣播，并將自己的IP地址和該ARP請求中的目的主機IP地址進(jìn)行比較。如果不匹配，則ARP請求被忽略；如果ARP請求中的目的主機IP地址與本機的IP地址相匹配，則目的主機就將發(fā)送者的IP地址與物理地址寫入到本機的ARP高速緩存中。19第十九頁，共48頁。

（4）向請求者發(fā)送ARP響應(yīng)如果在ARP請求期間產(chǎn)生準(zhǔn)確的匹配，則目的主機就向發(fā)送主機以單播方式發(fā)出一個ARP應(yīng)答（因為此時應(yīng)答主機已經(jīng)知道了請求方的物理地址）。

（5）請求方更新ARP高速緩存請求主機收到ARP應(yīng)答后，取出應(yīng)答中應(yīng)答者的IP地址與物理地址，將其寫入它的ARP高速緩存。至此，雙方都已知道了對方的地址映射，完成了地址解析，下面就可以進(jìn)行兩主機之間的通信了20第二十頁，共48頁。2.源主機與目的主機位于不同的子網(wǎng)目的主機與源主機不在同一子網(wǎng)中時，源主機與目的主機之間有一臺或多臺路由器，ARP必須為IP數(shù)據(jù)報通過的每個路由器解析IP地址。 源主機根據(jù)源IP地址、目的IP地址以及子網(wǎng)掩碼可以判斷出本主機與目的主機位于不同的子網(wǎng)，源主機根據(jù)其路由表（或默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置）得到去往目的主機的下一跳路由器——路由器1的IP地址，源主機通過ARP解析得到路由器1端口1A的物理地址，然后將要傳送給目的主機的IP數(shù)據(jù)報用該物理地址封裝成幀后發(fā)送給路由器1。21第二十一頁，共48頁。路由器1收到該IP數(shù)據(jù)報后，根據(jù)目的主機的IP地址和自己的路由表確定去往目的主機的下一跳路由器——路由器2的IP地址，并通過ARP解析得到路由器2端口2A的物理地址，然后將要傳送給目的主機的IP數(shù)據(jù)報用該物理地址封裝成幀后發(fā)送給路由器2。如此下去，以逐級跳的方式將IP數(shù)據(jù)報傳至路由器n。路由器n根據(jù)目的主機的IP地址解析得到目的主機的物理地址，用該物理地址將IP數(shù)據(jù)報封裝成幀后發(fā)送給目的主機。22第二十二頁，共48頁。假設(shè)一臺IP地址為172.16.1.9，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0的客戶機希望向IP地址為172.16.2.5的主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)報。當(dāng)主機A要向主機B傳輸數(shù)據(jù)報時，TCP/IP軟件會利用子網(wǎng)掩碼確定主機B位于遠(yuǎn)程子網(wǎng)上。（1）檢查本地高速緩存當(dāng)一臺設(shè)備確認(rèn)目的IP地址不屬于本子網(wǎng)時，它會根據(jù)本身的路由表找到去往目的網(wǎng)絡(luò)的路由器的IP地址（圖中為172.16.1.1）。然后根據(jù)此IP地址確定路由器該端口的硬件地址，ARP首先檢查本地的ARP高速緩存，確定它是否含有路由器對應(yīng)端口的IP地址與物理地址的映射。如果包含，則ARP取出路由器端口的硬件地址，并以此物理地址為目的地址完成數(shù)據(jù)幀的封裝和傳輸。23第二十三頁，共48頁。（2）向下一跳路由器發(fā)送ARP請求如果在ARP高速緩存中沒有發(fā)現(xiàn)路由器IP地址的映射，則主機A必須向該路由器發(fā)送ARP請求廣播，并等待答復(fù)。該ARP請求包含發(fā)送者的IP地址和硬件地址，以及路由器的IP地址。24第二十四頁，共48頁。（3）緩存ARP請求由于ARP請求是子網(wǎng)上的廣播，因而網(wǎng)絡(luò)上的每臺設(shè)備都能接收到該數(shù)據(jù)包，并將自己的IP地址和該ARP請求中所指定的IP地址相比較。若不匹配，則忽略；若相匹配，則刷新本地ARP高速緩存。當(dāng)路由器有多個網(wǎng)絡(luò)接口時，每個接口都維護(hù)各自的高速緩存。（4）路由器將ARP應(yīng)答傳給源主機路由器向源主機發(fā)出一個ARP應(yīng)答，應(yīng)答給出了路由器與主機A所在網(wǎng)絡(luò)的接口的IP地址解析。（5）源主機刷新自己的ARP高速緩存源主機刷新自己的ARP高速緩存，使其包含從ARP應(yīng)答中得到的路由器的IP地址-物理地址映射。25第二十五頁，共48頁。（6）源主機向路由器發(fā)送數(shù)據(jù)完成路由器地址的解析后，將數(shù)據(jù)傳給路由器。（7）路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)前查詢ARP高速緩存數(shù)據(jù)被傳送到路由器后，路由器根據(jù)IP數(shù)據(jù)報中目的主機的IP地址和路由表確定數(shù)據(jù)是否已到達(dá)最后一跳路由器。若不是，則繼續(xù)向下一跳路由器轉(zhuǎn)發(fā)；否則，可以直接發(fā)往目的主機。26第二十六頁，共48頁。（8）向目的主機發(fā)送ARP請求 如果在路由器的ARP高速緩存中沒有找到目的主機的地址映射，則路由器就必須向通往目的網(wǎng)絡(luò)的接口廣播一個ARP請求，并等待答復(fù)。（9）刷新ARP高速緩存 目的子網(wǎng)上的所有主機均能接收到ARP廣播，并將自己的IP地址與ARP請求中所指定的IP地址進(jìn)行比較。如果不相匹配，則拋棄該ARP請求；如果匹配，則目的主機刷新它的ARP高速緩存表目。（10）目的主機將ARP應(yīng)答發(fā)送回路由器 目的主機向路由器發(fā)回一個ARP應(yīng)答。應(yīng)答中包含對目的主機地址的解析結(jié)果。（11）路由器刷新高速緩存 路由器收到應(yīng)答后，刷新自己的高速緩存，使其包含目的主機的地址映射。27第二十七頁，共48頁。（12）路由器向目的主機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)完成目的主機地址的解析后，源主機根據(jù)目的主機的物理地址進(jìn)行物理數(shù)據(jù)幀的封裝，然后將數(shù)據(jù)傳給目的主機。至此，源主機和目的主機完成了一次單向通信。第一次通信時要完成ARP高速緩存的寫入，后面的通信就變得容易得多了。引入ARP高速緩存的好處在于：一次解析，多次使用。這里需要注意的是：數(shù)據(jù)包在從源到目的地的傳輸是通過逐級跳的方式完成的。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中數(shù)據(jù)包的IP地址是不發(fā)生變化的，而物理地址在每一跳都會發(fā)生變化。遠(yuǎn)程通信時的逐段地址解析正是為了滿足這一要求。28第二十八頁，共48頁。返回29第二十九頁，共48頁。3.1.5ARP協(xié)議漏洞漏洞的根源就是ARP協(xié)議是無連接的

沒有ARP的請求也可以ARP回復(fù).最致命的就是操作系統(tǒng)收到這個請求后就會更新ARP緩存。

ARP請求也可以偽造。ARP主機的緩存中毒！30第三十頁，共48頁。Arpfloodarp泛洪，只要是瞬間發(fā)送大量的arp數(shù)據(jù)包給switch，填滿switch的mactable，導(dǎo)致無法switch工作異常，提示：這時switch就會象hub一樣工作Arpflood31第三十一頁，共48頁。ARP的單向欺騙32第三十二頁，共48頁。ARP的中間人攻擊33第三十三頁，共48頁。3.2反向地址解析協(xié)議(RARP)反向地址解析協(xié)議RARP可以實現(xiàn)從物理地址到IP地址的轉(zhuǎn)換。反向地址解析協(xié)議被無盤計算機用來獲取其IP地址。由于無盤計算機沒有外部存儲器來記錄其IP地址，一旦關(guān)機，就會丟掉它的IP地址。無盤計算機為了在開機時獲得它的IP地址，必須有一個唯一的且容易讀取的標(biāo)識符，根據(jù)這一標(biāo)識，無盤計算機可以從RARP服務(wù)器上獲得其IP地址。物理地址可以直接從硬件（NIC）中讀取，而且物理地址在一個物理網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。因此，物理地址是解析協(xié)議地址的最佳標(biāo)識符。34第三十四頁，共48頁。在進(jìn)行反向地址解析前，無盤計算機只知道自己的物理地址，另外還具有一個位于ROM中的基本輸入/輸出系統(tǒng)。通過這個基本輸入/輸出系統(tǒng)無盤計算機可以在網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)。由于無盤計算機不知道自己的IP地址，同時也不知道RARP服務(wù)器的IP地址和物理地址，因此，無盤計算機只能以廣播方式發(fā)出RARP請求。反向地址解析過程如圖3-10所示。之所以RARP服務(wù)器能夠給出無盤計算機的地址映射，是因為RARP服務(wù)器上存有管理人員配置好的物理地址-IP地址映射表。35第三十五頁，共48頁。（1）無盤計算機以廣播方式發(fā)出攜帶本機物理地址的RARP請求。注意這里的廣播是幀的廣播，即目的MAC地址為全“1”。（2）網(wǎng)上所有的計算機均收到該請求，但只有提供RARP服務(wù)的RARP服務(wù)器處理請求并根據(jù)請求者的物理地址查物理地址-IP地址映射表，然后形成應(yīng)答。應(yīng)答以單播方式發(fā)送。36第三十六頁，共48頁。為了保證系統(tǒng)的可靠性，可以在網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置若干臺RARP服務(wù)器，此時，請求者會收到多個RARP服務(wù)器的應(yīng)答，而請求者只認(rèn)可最先到達(dá)的一個應(yīng)答。為了防止多個RARP服務(wù)器同時給出應(yīng)答造成沖突，可以將RARP服務(wù)器分為主RARP服務(wù)器和備份RARP服務(wù)器，主RARP服務(wù)器只有一個而備份RARP服務(wù)器可以有多個。正常情況下由主RARP服務(wù)器給出應(yīng)答，只有當(dāng)主RARP服務(wù)器不能給出應(yīng)答時，備份RARP服務(wù)器才介入解析工作。設(shè)備不僅可以對自己的地址進(jìn)行反向解析，而且可以對其他機器的地址進(jìn)行反向解析。37第三十七頁，共48頁。

地址解析協(xié)議ARP和反向地址解析協(xié)議RARP的不同之處：ARP假定每個主機都知道自己的物理地址和IP地址的映射，地址解析的目的是求取另一個設(shè)備的物理地址，而RARP則主要是由本機的物理地址求取本機的IP地址。RARP需要有RARP服務(wù)器幫助完成解析，而ARP不需要專門的服務(wù)器。返回38第三十八頁，共48頁。3.3地址解析報文3.3.1地址解析報文格式ARP和RARP都是通過一對請求和應(yīng)答報文來完成解析的。TCP/IP協(xié)議為了保證一致性和處理上的方便，將ARP和RARP的請求和應(yīng)答報文設(shè)計成相同的格式，通過操作字段來加以區(qū)別。這一設(shè)計思想在TCP/IP協(xié)議的設(shè)計中被反復(fù)使用。08163139第三十九頁，共48頁。3.3.2地址解析報文處理在ARP請求報文中，發(fā)送方在發(fā)送方硬件地址字段填入本機的物理地址，在發(fā)送方協(xié)議地址字段填入本機的協(xié)議地址（對于TCP/IP協(xié)議就是IP地址），在目的協(xié)議地址字段填入準(zhǔn)備解析的目標(biāo)機的IP地址，目的硬件地址不填（為0），在操作類型字段填入“1”表示是ARP請求。ARP請求以廣播方式在物理網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送。在ARP應(yīng)答報文中，目標(biāo)機將收到的ARP請求報文中的發(fā)送方硬件地址和發(fā)送方協(xié)議地址放入目的硬件地址和目的協(xié)議地址，將自己的硬件地址和協(xié)議地址（IP地址）填入發(fā)送方硬件地址和發(fā)送方協(xié)議地址，在操作類型字段填入“2”表示是ARP應(yīng)答。ARP應(yīng)答以單播方式在物理網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送。40第四十頁，共48頁。在RARP請求報文中，本機一般既是發(fā)送方又是目標(biāo)機（需要獲得其IP地址），因此，在發(fā)送方硬件地址字段和目的硬件地址字段都填本機的物理地址。操作類型字段填入“3”表示是RARP請求。RARP請求以廣播方式在物理網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送。RARP應(yīng)答報文由RARP服務(wù)器給出，因此，RARP服務(wù)器是發(fā)送方。在RARP應(yīng)答報文中，發(fā)送方硬件地址和發(fā)送方協(xié)議地址字段填的是給出應(yīng)答的RARP服務(wù)器的物理地址和IP地址，而目的硬件地址和目的協(xié)議地址字段填的是被解析對象的IP地址和物理地址，操作類型字段填入“3”表示是RARP應(yīng)答。RARP應(yīng)答以單播方式在物理網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送。41第四十一頁，共48頁。3.3.3地址解析報文封裝ARP/RARP報文是作為一般數(shù)據(jù)直接封裝在物理幀中進(jìn)行傳輸?shù)?，ARP/RARP報文封裝在以太網(wǎng)物理幀中的格式如圖所示。返回42第四十二頁，共48頁。3.4代理ARP代理ARP被用在路由器上可以使路由器代替隱藏在路由器后面的主機響應(yīng)ARP請求。如圖3-15所示，當(dāng)主機A請求對隱藏在路由器后面的子網(wǎng)中的某一主機