第五章-地址解析協(xié)議

章地址解析協(xié)議（ARP）5.1以太網(wǎng)尋址5.2標(biāo)準(zhǔn)的地址解析過(guò)程教學(xué)目的5.3改進(jìn)的地址解析過(guò)程教學(xué)目的本章主要介紹為什么要使用地址解析協(xié)議（ARP），ARP的基本原理和ARP的改進(jìn)技術(shù)，本章內(nèi)容大部分位于OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層和TCP/IP模型中的Internet層。5.1以太網(wǎng)尋址在互聯(lián)網(wǎng)中，IP地址能夠屏蔽各個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)地址的差異，為上層用戶提供統(tǒng)一的地址形式，這種統(tǒng)一是通過(guò)在物理地址上覆蓋一層IP軟件實(shí)現(xiàn)的，互聯(lián)網(wǎng)并不對(duì)物理地址做任何修改。高層軟件通過(guò)IP地址來(lái)指定源地址和目的地址，而低層的物理網(wǎng)絡(luò)通過(guò)物理地址發(fā)送和接收信息。將IP地址映射到物理地址的實(shí)現(xiàn)方法有多種（如靜態(tài)表格、直接映射等），每種網(wǎng)絡(luò)都可以根據(jù)自身的特點(diǎn)選擇適合與自己的映射方法。地址解析協(xié)議ARP(AddressRssolutionProtocol)是以太網(wǎng)經(jīng)常使用的映射方法，它充分利用了以太網(wǎng)的廣播能力，將IP地址與物理地址進(jìn)行動(dòng)態(tài)聯(lián)編。5.2標(biāo)準(zhǔn)的地址解析過(guò)程以太網(wǎng)一個(gè)很大的特點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的廣播能力。針對(duì)這種具備廣播能力、物理地址長(zhǎng)但是長(zhǎng)度固定的網(wǎng)絡(luò)，IP互聯(lián)網(wǎng)采用了動(dòng)態(tài)聯(lián)編方式進(jìn)行IP地址到物理地址的映射，并制定了相應(yīng)的協(xié)議—ARP協(xié)議。在傳送一個(gè)IP數(shù)據(jù)包前，TCP/IP客戶端必須將轉(zhuǎn)發(fā)的或下一躍點(diǎn)的IP地址解析為相應(yīng)的物理地址，為此，客戶端將廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求信息包以獲得物理地址，使用相應(yīng)IP地址的計(jì)算機(jī)就以包含它的物理地址的ARP回復(fù)信息響應(yīng)。使用此回復(fù)信息中的信息，計(jì)算機(jī)可以將IP數(shù)據(jù)包封裝在適當(dāng)?shù)膸?，并將它傳送到下一個(gè)躍點(diǎn)。假設(shè)：在一個(gè)以太網(wǎng)中，主機(jī)A欲獲得主機(jī)B的IP地址與物理地址的映射關(guān)系，主機(jī)A將向以太網(wǎng)內(nèi)所有的主機(jī)（包括主機(jī)B和主機(jī)C在內(nèi)）廣播ARP請(qǐng)求，具體的工作過(guò)程如下（見(jiàn)圖5-1）：圖5-1ARP協(xié)議工作過(guò)程(l）主機(jī)A廣播發(fā)送一個(gè)帶有它自己的IP地址、物理地址和目標(biāo)主機(jī)（主機(jī)B）IP地址的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求主機(jī)B用它的IP地址和物理地址的映射關(guān)系進(jìn)行響應(yīng)。(2）以太網(wǎng)上的所有主機(jī)接收到這個(gè)請(qǐng)求信息（包括主機(jī)B和主機(jī)C在內(nèi)），并處理該ARP請(qǐng)求。(3）主機(jī)C識(shí)別該請(qǐng)求信息，發(fā)現(xiàn)自己的IP地址與被請(qǐng)求的IP地址（即目標(biāo)主機(jī)IP地址)不匹配，則丟棄該ARP請(qǐng)求；主機(jī)B識(shí)別該請(qǐng)求信息，發(fā)現(xiàn)自己的IP地址與被請(qǐng)求的IP地址是匹配的，則向主機(jī)A發(fā)送自己的IP地址和物理地址映射關(guān)系的響應(yīng)信息包。(4）主機(jī)A得到主機(jī)B的IP地址于物理地址的映射關(guān)系，并可以在隨后的發(fā)送過(guò)程中使用該映射關(guān)系。5.3改進(jìn)的地址解析過(guò)程ARP請(qǐng)求信息和響應(yīng)信息的頻繁發(fā)送和接收必然對(duì)網(wǎng)絡(luò)的效率產(chǎn)生影響，為了提高效率，ARP可以采用以下的改進(jìn)技術(shù)。5.3.1高速緩存技術(shù)在每臺(tái)使用ARP的主機(jī)中，都保留了一個(gè)專用的高速緩存區(qū)（cache），用于保存已知的ARP表項(xiàng)。一旦收到ARP響應(yīng)包，主機(jī)就將獲得的IP地址與物理地址的映射關(guān)系存入高速緩存的ARP表中。當(dāng)發(fā)送信息時(shí)，主機(jī)先到高速緩存的ARP表中查找相應(yīng)得映射關(guān)系，若找不到，再利用ARP進(jìn)行地址解析。利用高速緩存技術(shù)，主機(jī)不必為每個(gè)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包使用ARP協(xié)議，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)流量，提高處理的效率。主機(jī)的物理地址通常存儲(chǔ)在網(wǎng)卡上，一旦網(wǎng)卡從一臺(tái)主機(jī)換到另一臺(tái)主機(jī)，或者一臺(tái)主機(jī)更改了IP地址，那么其IP地址與物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系也就發(fā)生了變化。為了保證主機(jī)中ARP表內(nèi)容的正確性，ARP表必須經(jīng)常更新。為此，ARP表中的每一個(gè)表項(xiàng)讀被分配了一個(gè)計(jì)時(shí)器，一旦某個(gè)表項(xiàng)超過(guò)了計(jì)時(shí)時(shí)限，主機(jī)就會(huì)自動(dòng)將它刪除，以保證ARP表的有效性。實(shí)踐表明，由于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)通信都需要持續(xù)發(fā)送多個(gè)信息包，所以即使高速緩存區(qū)保存一個(gè)小的ARP表，也可以大大提高ARP的效率。5.3.2其他改進(jìn)技術(shù)為了提高網(wǎng)絡(luò)效率，有些軟件在ARP實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還采取了以下措施：主機(jī)在發(fā)送ARP請(qǐng)求時(shí)，信息包中包含了自己的IP地址與物理地址的映射關(guān)系。這樣目標(biāo)主機(jī)就可以將該映射關(guān)系存儲(chǔ)在自己的ARP表中，以備隨后使用。由于主機(jī)之間的通信一般是相互的，因此，當(dāng)主機(jī)A發(fā)送消息到主機(jī)B后，主機(jī)B通常需要做出回應(yīng)。利用這種ARP改進(jìn)技術(shù)，可以防止目標(biāo)主機(jī)緊接著為解析源主機(jī)的IP地址與物理地址的映射關(guān)系而再來(lái)一次ARP請(qǐng)求。由于ARP請(qǐng)求是通過(guò)廣播發(fā)送出去的，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)都會(huì)收到源主機(jī)的IP地址與物理地址的映射關(guān)系。于是，所有的主機(jī)都可以將該IP地址與物理地址的映射關(guān)系存入各自得高速緩存中，以備將來(lái)使用。這樣，就避免了網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)向源主機(jī)發(fā)起的ARP請(qǐng)求。?網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)在啟動(dòng)或者接口發(fā)生變化時(shí)，可以主動(dòng)廣播自己的IP地址與物理地址的映射關(guān)系，以便網(wǎng)絡(luò)中其它主機(jī)及時(shí)刷新緩存內(nèi)得地址映射信息，從而盡量避免其它主機(jī)對(duì)他進(jìn)行的ARP請(qǐng)求。5.3.3完整的地址解析過(guò)程針對(duì)上文中同樣的例子，假設(shè)：在一個(gè)以太網(wǎng)中，主機(jī)A欲獲得主機(jī)B的IP地址與物理地址的映射關(guān)系，主機(jī)A將向以太網(wǎng)內(nèi)所有的主機(jī)（包括主機(jī)B和主機(jī)C在內(nèi)）廣播ARP請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，其完整的ARP工作過(guò)程如下（見(jiàn)圖5-2）：圖5-2完整的ARP協(xié)議工作過(guò)程(l）在主機(jī)A上，ARP參考自己的ARP緩存項(xiàng)尋找目標(biāo)地址，如果找到項(xiàng)，ARP繼續(xù)執(zhí)行步驟（6），找不到項(xiàng)，則順序執(zhí)行步驟(2）。(2）如果在緩存中沒(méi)有找到項(xiàng)，主機(jī)A廣播發(fā)送一個(gè)帶有它自己的IP地址、物理地址和目標(biāo)主機(jī)（主機(jī)B）IP地址的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求主機(jī)B用它的IP地址和物理地址的映射關(guān)系進(jìn)行響應(yīng)。(3）以太網(wǎng)上的所有主機(jī)接收到這個(gè)請(qǐng)求信息（包括主機(jī)B和主機(jī)C在內(nèi)），并處理該ARP請(qǐng)求。

(4）主機(jī)C識(shí)別該請(qǐng)求信息，發(fā)現(xiàn)自己的IP地址與被請(qǐng)求的IP地址（即目標(biāo)主機(jī)IP地址)不匹配，則丟棄該ARP請(qǐng)求；主機(jī)B識(shí)別該請(qǐng)求信息，發(fā)現(xiàn)自己的IP地址與被請(qǐng)求的IP地址是匹配的，則向主機(jī)A發(fā)送自己的IP地址和物理地址映射關(guān)系的響應(yīng)信息包，同時(shí)主機(jī)B用ARP請(qǐng)求的發(fā)送者（主機(jī)A）的地址更新它