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深入分析ＡＲＰ協(xié)議的理論與實(shí)踐
摘 要：充分認識ARP的作用與工作過(guò)程有助于我們認識網(wǎng)絡(luò )、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導我們分析網(wǎng)絡(luò )中故障發(fā)生的原因以及采用有效的方法排查故障。
關(guān)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(guò)程有助于我們認識網(wǎng)絡(luò )、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導我們分析網(wǎng)絡(luò )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(guān)與ARP協(xié)議的概念初學(xué)者往往難以一下子掌握。因此很有必要通過(guò)實(shí)驗來(lái)幫助學(xué)員更加深入直觀(guān)地了解子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)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(luò )設備，一個(gè)特定的IP地址的哪一部分是包含網(wǎng)絡(luò )地址與子網(wǎng)地址，哪一部分是主機地址。網(wǎng)絡(luò )的路由設備只要識別出目的地址的網(wǎng)絡(luò )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(gè)網(wǎng)絡(luò )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(luò )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(luò )地址和子網(wǎng)地址。
2 網(wǎng)關(guān)(Gateway)
在Internet中的網(wǎng)關(guān)一般是指用于連接兩個(gè)或者兩個(gè)以上網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò )設備，通常使用路由器(Router)作為網(wǎng)關(guān)。
在TCP/IP網(wǎng)絡(luò )體系中，網(wǎng)關(guān)的基本作用是根據目的IP地址的網(wǎng)絡(luò )號與子網(wǎng)號，選擇最佳的出口對IP分組進(jìn)行轉發(fā)，實(shí)現跨網(wǎng)段的數據通信。
3 ARP協(xié)議(Address Resolution Protocol)
在以太網(wǎng)(Ethernet)中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備要和另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行直接通信，除了知道目標設備的網(wǎng)絡(luò )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(guò)目標設備的IP地址，查詢(xún)目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。
當一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備需要和另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備通信時(shí)，它首先把目標設備的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼進(jìn)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(méi)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A(yíng)RP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(gè)ARP請求報文，如果某設備發(fā)現報文中的目標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(guò)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(guān)(Default Gateway)，由缺省網(wǎng)關(guān)對該分組進(jìn)行轉發(fā)。如果源設備沒(méi)有關(guān)于缺省網(wǎng)關(guān)的MAC信息，則它同樣通過(guò)ARP協(xié)議獲取缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址信息。
為了減少廣播量，網(wǎng)絡(luò )設備通過(guò)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(guò)程中，通信雙方都把對方的MAC地址與IP地址的對應關(guān)系保存在各自的ARP表中，以在后續的通信中使用。ARP表使用老化機制，刪除在一段時(shí)間內沒(méi)有使用過(guò)的IP與MAC地址的映射關(guān)系。
4 實(shí)驗設計
我們通過(guò)設計一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗來(lái)幫助學(xué)員更深入直觀(guān)地理解上述三個(gè)知識點(diǎn)所涉及的基本概念與原理。在實(shí)驗中，我們利用ping命令來(lái)檢驗主機間能否進(jìn)行正常的雙向通信。在“ping”的過(guò)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(jìn)行正確的雙向通信。
A與B為實(shí)驗用的PC機，使用Windows2000 Professional作操作系統。
實(shí)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(guān)。
用arp -d命令清除兩臺主機上的ARP表，然后在A(yíng)與B上分別用ping命令與對方通信，在A(yíng)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)現目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(192.168.1.0)，因此通過(guò)ARP協(xié)議獲得對方的MAC地址，從而實(shí)現在同一網(wǎng)段內網(wǎng)絡(luò )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(yíng)上ping B，在A(yíng)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(guān)。由于A(yíng)的缺省網(wǎng)關(guān)沒(méi)有配置，無(wú)法對分組進(jìn)行正確發(fā)送，因此顯示“目標主機不可到達”。
操作2：接著(zhù)在B上ping A，在B上顯示結果為：Request timed out 此時(shí)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)現目標主機與自己均位于同一網(wǎng)段(192.168.1.0)，因此，B通過(guò)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(yíng)不能向B正確地發(fā)回Echo Reply報文(原因見(jiàn)分析1)，故B上顯示ping的結果為“請求超時(shí)”。在該實(shí)驗操作中，通過(guò)觀(guān)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(guò)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(guān)系，并保存在各自的ARP表中。
步驟3：
在A(yíng)上設置缺省網(wǎng)關(guān)，用arp -d命令清除A中的ARP表，在A(yíng)上ping一臺外網(wǎng)段的主機，如武漢熱線(xiàn)(www.wuhan.net.cn 202.103.24.116)，再用arp -a可觀(guān)察到A的ARP表中只有缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址信息。
分析：當源主機要和外網(wǎng)段的主機進(jìn)行通信時(shí)，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(guān)，由網(wǎng)關(guān)IP分組的完成轉發(fā)過(guò)程。如果源主機沒(méi)有缺省網(wǎng)關(guān)MAC地址的緩存記錄，則它會(huì )通過(guò)ARP協(xié)議獲取網(wǎng)關(guān)
的MAC地址，因此在A(yíng)的ARP表中只觀(guān)察到網(wǎng)關(guān)的MAC地址記錄，而觀(guān)察不到遠程主機的MAC地址
5 小結
�。�1）關(guān)于通常意義上“網(wǎng)絡(luò )地址不同不能互相通信”的說(shuō)明
深入的探討發(fā)現，在計算機通信過(guò)程中無(wú)論是什么協(xié)議只要能順利獲得MAC地址就能正常通信，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)路由，只要每段通信成功的經(jīng)過(guò)了數據鏈路層�？梢哉f(shuō)通信本來(lái)是沒(méi)有任何限制的，只是IP從邏輯上（網(wǎng)絡(luò )層）加以了約束。
而其中網(wǎng)絡(luò )地址是其第一邏輯約束。任何一項針對IP的數據發(fā)送首先是經(jīng)過(guò)本地網(wǎng)絡(luò )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(shí)際上是先一步在本地作出判斷：
�、�“目標IP地址和自己在不在同一網(wǎng)絡(luò )”其判斷的依據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(lái)進(jìn)行比較。
�、谙嗤�，否則⑦
�、蹤z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，執行⑥，否則⑧
�、迣⒛康腗AC地址寫(xiě)入待發(fā)幀并發(fā)送數據
�、邔⒕W(wǎng)關(guān)MAC地址寫(xiě)入待發(fā)幀并發(fā)送數據，通過(guò)路由轉發(fā)（間接發(fā)送）。若網(wǎng)關(guān)無(wú)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(diǎn)還要在每個(gè)每個(gè)網(wǎng)段網(wǎng)關(guān)執行①～⑦
�。�2）關(guān)于“\\主機名”與“\\IP”的區別
運行\\主機名時(shí)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(huì )跨路由的（RFC1542標準的路由器，可設置成允許DHCP的廣播數據通過(guò)，僅是一個(gè)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(luò )無(wú)關(guān)。解析出目的MAC就可以看到瀏覽服務(wù)提供的共享資源了。
\\IP則是完全不同的過(guò)程，是根據ARP原理（前面已經(jīng)有詳細講述）解析出MAC地址的，因此會(huì )受到邏輯網(wǎng)段的限制。然后再通過(guò)MAC地址訪(fǎng)問(wèn)目的主機的瀏覽服務(wù)。
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