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深入分析ＡＲＰ協(xié)議的理論與實(shí)踐
摘 要：充分認(rèn)識ARP的作用與工作過程有助于我們認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導(dǎo)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(rèn)識ARP的作用與工作過程有助于我們認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導(dǎo)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。因此很有必要通過實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)員更加深入直觀地了解子網(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(shè)備，一個特定的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(jī)地址。網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)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(jī)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(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)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(yīng)于IP地址的主機(jī)部分。將子網(wǎng)掩碼和IP地址作“與”操作后，IP地址的主機(jī)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或者兩個以上網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jù)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(zhuǎn)發(fā)，實(shí)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(luò)設(shè)備要和另一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行直接通信，除了知道目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層邏輯地址(如IP地址)外，還要知道目標(biāo)設(shè)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(biāo)設(shè)備的IP地址，查詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。
當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要和另一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信時，它首先把目標(biāo)設(shè)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(biāo)設(shè)備與自己是否位于同一網(wǎng)段內(nèi)。如果目標(biāo)設(shè)備在同一網(wǎng)段內(nèi)，并且源設(shè)備沒有獲得與目標(biāo)IP地址相對應(yīng)的MAC地址信息，則源設(shè)備以第二層廣播的形式(目標(biāo)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(shè)備與目標(biāo)設(shè)備的IP地址。同一網(wǎng)段中的所有其他設(shè)備都可以收到并分析這個ARP請求報文，如果某設(shè)備發(fā)現(xiàn)報文中的目標(biāo)IP地址與自己的IP地址相同，則它向源設(shè)備發(fā)回ARP響應(yīng)報文，通過該報文使源設(shè)備獲得目標(biāo)設(shè)備的MAC地址信息。
如果目標(biāo)設(shè)備與源設(shè)備不在同一網(wǎng)段，則源設(shè)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(zhuǎn)發(fā)。如果源設(shè)備沒有關(guān)于缺省網(wǎng)關(guān)的MAC信息，則它同樣通過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(shè)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(yīng)過程中，通信雙方都把對方的MAC地址與IP地址的對應(yīng)關(guān)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(jī)制，刪除在一段時間內(nèi)沒有使用過的IP與MAC地址的映射關(guān)系。
4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計
我們通過設(shè)計一個簡單的實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)員更深入直觀地理解上述三個知識點(diǎn)所涉及的基本概念與原理。在實(shí)驗(yàn)中，我們利用ping命令來檢驗(yàn)主機(jī)間能否進(jìn)行正常的雙向通信。在“ping”的過程中，源主機(jī)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送ICMP的Echo Request報文，目標(biāo)主機(jī)收到后，向源主機(jī)發(fā)回ICMP的Echo Reply報文，從而可以驗(yàn)證源與目標(biāo)主機(jī)能否進(jìn)行正確的雙向通信。
A與B為實(shí)驗(yàn)用的PC機(jī)，使用Windows2000 Professional作操作系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)方案：
步驟1：
設(shè)置兩臺主機(jī)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(jī)均不設(shè)置缺省網(wǎng)關(guān)。
用arp -d命令清除兩臺主機(jī)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(jī)將各自通信目標(biāo)的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼相“與”后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)主機(jī)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(shí)現(xiàn)在同一網(wǎng)段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)置保持不變。
操作1：用arp -d命令清除兩臺主機(jī)上的ARP表，然后在A上ping B，在A上顯示結(jié)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(biāo)設(shè)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的缺省網(wǎng)關(guān)沒有配置，無法對分組進(jìn)行正確發(fā)送，因此顯示“目標(biāo)主機(jī)不可到達(dá)”。
操作2：接著在B上ping A，在B上顯示結(jié)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(biāo)設(shè)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(biāo)主機(jī)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(jié)果為“請求超時”。在該實(shí)驗(yàn)操作中，通過觀察A與B的ARP表的變化，可以驗(yàn)證：在一次ARP的請求與響應(yīng)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(yīng)關(guān)系，并保存在各自的ARP表中。
步驟3：
在A上設(shè)置缺省網(wǎng)關(guān)，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(jī)，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(guān)的MAC地址信息。
分析：當(dāng)源主機(jī)要和外網(wǎng)段的主機(jī)進(jìn)行通信時，它并不需要獲取遠(yuǎn)程主機(jī)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(zhuǎn)發(fā)過程。如果源主機(jī)沒有缺省網(wǎng)關(guān)MAC地址的緩存記錄，則它會通過ARP協(xié)議獲取網(wǎng)關(guān)
的MAC地址，因此在A的ARP表中只觀察到網(wǎng)關(guān)的MAC地址記錄，而觀察不到遠(yuǎn)程主機(jī)的MAC地址
5 小結(jié)
�。�1）關(guān)于通常意義上“網(wǎng)絡(luò)地址不同不能互相通信”的說明
深入的探討發(fā)現(xiàn)，在計算機(jī)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(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(xiàng)針對IP的數(shù)據(jù)發(fā)送首先是經(jīng)過本地網(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(biāo)IP地址和自己在不在同一網(wǎng)絡(luò)”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(biāo)IP、源IP按位與來進(jìn)行比較。
�、谙嗤駝t⑦
�、蹤z查本地arp列表，有相應(yīng)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)
⑦將網(wǎng)關(guān)MAC地址寫入待發(fā)幀并發(fā)送數(shù)據(jù)，通過路由轉(zhuǎn)發(fā)（間接發(fā)送）。若網(wǎng)關(guān)無法路由到達(dá)則就地丟棄并發(fā)出ICMP通知不可到達(dá)。
�、嘀苯觼G棄，返回目標(biāo)不存在
其中⑦最終是否能最終到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)還要在每個每個網(wǎng)段網(wǎng)關(guān)執(zhí)行①～⑦
�。�2）關(guān)于“\\主機(jī)名”與“\\IP”的區(qū)別
運(yùn)行\(zhòng)\主機(jī)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(nèi)（物理阻隔或路由隔絕）找到主機(jī)，主機(jī)單播以回應(yīng)否則報告目標(biāo)不存在。NetBIOS是絕對不會跨路由的（RFC1542標(biāo)準(zhǔn)的路由器，可設(shè)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(dá)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則是完全不同的過程，是根據(jù)ARP原理（前面已經(jīng)有詳細(xì)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(jī)的瀏覽服務(wù)。
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