深入分析ＡＲＰ協(xié)議的理論與實踐

　　摘 要：充分認識ARP的作用與工作過程有助于我們認識網(wǎng)絡、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導我們分析網(wǎng)絡中故障發(fā)生的原因以及采用有效的方法排查故障。
　　關鍵詞：網(wǎng)段；ARP協(xié)議；RARP協(xié)議；
　　
　　充分認識ARP的作用與工作過程有助于我們認識網(wǎng)絡、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導我們分析網(wǎng)絡中故障發(fā)生的原因以及采用有效的方法排查故障。首先，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關與ARP協(xié)議的概念初學者往往難以一下子掌握。因此很有必要通過實驗來幫助學員更加深入直觀地了解子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關與ARP協(xié)議的基本概念與工作原理。
　　
　　1 子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask)
　　
　　子網(wǎng)掩碼的主要功能是告知網(wǎng)絡設備，一個特定的IP地址的哪一部分是包含網(wǎng)絡地址與子網(wǎng)地址，哪一部分是主機地址。網(wǎng)絡的路由設備只要識別出目的地址的網(wǎng)絡號與子網(wǎng)號即可作出路由尋址決策，IP地址的主機部分不參與路由器的路由尋址操作，只用于在網(wǎng)段中唯一標識一個網(wǎng)絡設備的接口。
　　子網(wǎng)掩碼使用與IP相同的編址格式，子網(wǎng)掩碼為1的部分對應于IP地址的網(wǎng)絡與子網(wǎng)部分，子網(wǎng)掩碼為0的部分對應于IP地址的主機部分。將子網(wǎng)掩碼和IP地址作“與”操作后，IP地址的主機部分將被丟棄，剩余的是網(wǎng)絡地址和子網(wǎng)地址。
　　
　　2 網(wǎng)關(Gateway)
　　
　　在Internet中的網(wǎng)關一般是指用于連接兩個或者兩個以上網(wǎng)段的網(wǎng)絡設備，通常使用路由器(Router)作為網(wǎng)關。
　　在TCP/IP網(wǎng)絡體系中，網(wǎng)關的基本作用是根據(jù)目的IP地址的網(wǎng)絡號與子網(wǎng)號，選擇最佳的出口對IP分組進行轉發(fā)，實現(xiàn)跨網(wǎng)段的數(shù)據(jù)通信。
　　
　　3 ARP協(xié)議(Address Resolution Protocol)
　　
　　在以太網(wǎng)(Ethernet)中，一個網(wǎng)絡設備要和另一個網(wǎng)絡設備進行直接通信，除了知道目標設備的網(wǎng)絡層邏輯地址(如IP地址)外，還要知道目標設備的第二層物理地址(MAC地址)。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。
　　當一個網(wǎng)絡設備需要和另一個網(wǎng)絡設備通信時，它首先把目標設備的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼進行“與”操作，以判斷目標設備與自己是否位于同一網(wǎng)段內。如果目標設備在同一網(wǎng)段內，并且源設備沒有獲得與目標IP地址相對應的MAC地址信息，則源設備以第二層廣播的形式(目標MAC地址為全1)發(fā)送ARP請求報文，在ARP請求報文中包含了源設備與目標設備的IP地址。同一網(wǎng)段中的所有其他設備都可以收到并分析這個ARP請求報文，如果某設備發(fā)現(xiàn)報文中的目標IP地址與自己的IP地址相同，則它向源設備發(fā)回ARP響應報文，通過該報文使源設備獲得目標設備的MAC地址信息。
　　如果目標設備與源設備不在同一網(wǎng)段，則源設備首先把IP分組發(fā)向自己的缺省網(wǎng)關(Default Gateway)，由缺省網(wǎng)關對該分組進行轉發(fā)。如果源設備沒有關于缺省網(wǎng)關的MAC信息，則它同樣通過ARP協(xié)議獲取缺省網(wǎng)關的MAC地址信息。
　　為了減少廣播量，網(wǎng)絡設備通過ARP表在緩存中保存IP與MAC地址的映射信息。在一次ARP的請求與響應過程中，通信雙方都把對方的MAC地址與IP地址的對應關系保存在各自的ARP表中，以在后續(xù)的通信中使用。ARP表使用老化機制，刪除在一段時間內沒有使用過的IP與MAC地址的映射關系。
　　
　　4 實驗設計
　　
　　我們通過設計一個簡單的實驗來幫助學員更深入直觀地理解上述三個知識點所涉及的基本概念與原理。在實驗中，我們利用ping命令來檢驗主機間能否進行正常的雙向通信。在“ping”的過程中，源主機向目標主機發(fā)送ICMP的Echo Request報文，目標主機收到后，向源主機發(fā)回ICMP的Echo Reply報文，從而可以驗證源與目標主機能否進行正確的雙向通信。
　　A與B為實驗用的PC機，使用Windows2000 Professional作操作系統(tǒng)。
　　實驗方案：
　　步驟1：
　　設置兩臺主機的IP地址與子網(wǎng)掩碼：
　　A: 192.168.1.130 255.255.255.0
　　B: 192.168.1.125 255.255.255.0
　　兩臺主機均不設置缺省網(wǎng)關。
　　用arp -d命令清除兩臺主機上的ARP表，然后在A與B上分別用ping命令與對方通信，在A與B上分別顯示，
　　A: Reply from 192.168.1.125: bytes=32 time<10ms TTL=128
　　B: Reply from 192.168.1.130: bytes=32 time<10ms TTL=128
　　用arp -a命令可以在兩臺PC上分別看到對方的MAC地址。
　　分析：由于主機將各自通信目標的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼相“與”后，發(fā)現(xiàn)目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(192.168.1.0)，因此通過ARP協(xié)議獲得對方的MAC地址，從而實現(xiàn)在同一網(wǎng)段內網(wǎng)絡設備間的雙向通信。

　　步驟2：
　　將A的子網(wǎng)掩碼改為：255.255.255.128，其他設置保持不變。
　　操作1：用arp -d命令清除兩臺主機上的ARP表，然后在A上ping B，在A上顯示結果為：Destination host unreachable
　　用arp -a命令在兩臺PC上均不能看到對方的MAC地址。
　　分析1：A將目標設備的IP地址(192.168.1.125)和自己的子網(wǎng)掩碼(255.255.255.128)相“與”得192.168.1.0，和自己不在同一網(wǎng)段(A所在網(wǎng)段為:192.168.1.128)，則A必須將該IP分組首先發(fā)向缺省網(wǎng)關。由于A的缺省網(wǎng)關沒有配置，無法對分組進行正確發(fā)送，因此顯示“目標主機不可到達”。
　　操作2：接著在B上ping A，在B上顯示結果為：Request timed out 此時用arp-a命令可以在兩臺PC上分別看到對方的MAC地址。
　　分析2：B將目標設備的IP地址(192.168.1.130)和自己的子網(wǎng)掩碼(255.255.255.0)相“與”，發(fā)現(xiàn)目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(192.168.1.0)，因此，B通過ARP協(xié)議獲得A的MAC地址，并可以正確地向A發(fā)送Echo Request報文。但由于A不能向B正確地發(fā)回Echo Reply報文(原因見分析1)，故B上顯示ping的結果為“請求超時”。在該實驗操作中，通過觀察A與B的ARP表的變化，可以驗證：在一次ARP的請求與響應過程中，通信雙方就可以獲知對方的MAC地址與IP地址的對應關系，并保存在各自的ARP表中。
　　步驟3：
　　在A上設置缺省網(wǎng)關，用arp -d命令清除A中的ARP表，在A上ping一臺外網(wǎng)段的主機，如武漢熱線(www.wuhan.net.cn 202.103.24.116)，再用arp -a可觀察到A的ARP表中只有缺省網(wǎng)關的MAC地址信息。
　　分析：當源主機要和外網(wǎng)段的主機進行通信時，它并不需要獲取遠程主機的MAC地址，而是把IP分組發(fā)向缺省網(wǎng)關，由網(wǎng)關IP分組的完成轉發(fā)過程。如果源主機沒有缺省網(wǎng)關MAC地址的緩存記錄，則它會通過ARP協(xié)議獲取網(wǎng)關
　　的MAC地址，因此在A的ARP表中只觀察到網(wǎng)關的MAC地址記錄，而觀察不到遠程主機的MAC地址
　　
　　5 小結
　　
　�。�1）關于通常意義上“網(wǎng)絡地址不同不能互相通信”的說明
　　深入的探討發(fā)現(xiàn)，在計算機通信過程中無論是什么協(xié)議只要能順利獲得MAC地址就能正常通信，無論是否經(jīng)過路由，只要每段通信成功的經(jīng)過了數(shù)據(jù)鏈路層�？梢哉f通信本來是沒有任何限制的，只是IP從邏輯上（網(wǎng)絡層）加以了約束。
　　而其中網(wǎng)絡地址是其第一邏輯約束。任何一項針對IP的數(shù)據(jù)發(fā)送首先是經(jīng)過本地網(wǎng)絡層的抉擇：是丟棄、直接發(fā)送還是間接發(fā)送。
　　之所以有這樣三種選擇實際上是先一步在本地作出判斷：
　　①“目標IP地址和自己在不在同一網(wǎng)絡”其判斷的依據(jù)由于不知道對方掩碼所以只能是自己的子網(wǎng)掩碼分別和目標IP、源IP按位與來進行比較。
　　②相同，否則⑦
　　③檢查本地arp列表，有相應MAC地址記錄則⑥，否則④
　�、馨l(fā)送ARP request
　�、菔盏紸RP reply得到的目的MAC地址，執(zhí)行⑥，否則⑧
　�、迣⒛康腗AC地址寫入待發(fā)幀并發(fā)送數(shù)據(jù)
　�、邔⒕W(wǎng)關MAC地址寫入待發(fā)幀并發(fā)送數(shù)據(jù)，通過路由轉發(fā)（間接發(fā)送）。若網(wǎng)關無法路由到達則就地丟棄并發(fā)出ICMP通知不可到達。
　�、嘀苯觼G棄，返回目標不存在
　　其中⑦最終是否能最終到達目標結點還要在每個每個網(wǎng)段網(wǎng)關執(zhí)行①～⑦
　�。�2）關于“\\主機名”與“\\IP”的區(qū)別
　　運行\(zhòng)\主機名時直接使用NetBIOS檢查緩存或廣播發(fā)出NetBIOS請求解析目的MAC地址，該廣播是完全物理地址意義上的廣播，如果在廣播范圍內（物理阻隔或路由隔絕）找到主機，主機單播以回應否則報告目標不存在。NetBIOS是絕對不會跨路由的（RFC1542標準的路由器，可設置成允許DHCP的廣播數(shù)據(jù)通過，僅是一個特例）。因此不論是VLAN還是LAN只要廣播可以到達的地方就是NetBIOS的作用范圍，完全與IP是否處在同一網(wǎng)絡無關。解析出目的MAC就可以看到瀏覽服務提供的共享資源了。
　　\\IP則是完全不同的過程，是根據(jù)ARP原理（前面已經(jīng)有詳細講述）解析出MAC地址的，因此會受到邏輯網(wǎng)段的限制。然后再通過MAC地址訪問目的主機的瀏覽服務。

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