TCP/IP 详解(卷一) ARP:地址解析协议

数据链路如以太网或令牌环网都有自己的寻址机制(常常为48 bit地址),这是使用数据链路的任何网络层都必须遵从的。

当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时,是根据48 bit的以太网地址来确定目的接口的。设备驱动程序从不检查IP数据报中的目的IP地址。

地址解析为这两种不同的地址形式提供映射:32 bit的IP地址和数据链路层使用的任何类型的地址。

ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。

ARP 高速缓存

ARP高效运行的关键是由于每个主机上都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近Internet地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟,起始时间从被创建时开始算起。 使用 arp -a 命令来检查 ARP 高速缓存。

ARP 分组格式

以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全1的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。

两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于ARP请求或应答来说,该字段的值为0x0806。

硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为1即表示以太网地址。协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为0x0800即表示IP地址。它的值与包含IP数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同,这是有意设计的。

接下来的两个1字节的字段,硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度,以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说,它们的值分别为6和4。

操作字段指出四种操作类型,它们是ARP请求(值为1)、ARP应答(值为2)、RARP请求(值为3)和RARP应答(值为4)。这个字段必需的,因为ARP请求和ARP应答的帧类型字段值是相同的。

接下来的四个字段是发送端的硬件地址(在本例中是以太网地址)、发送端的协议地址(IP地址)、目的端的硬件地址和目的端的协议地址。注意,这里有一些重复信息:在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。

对于一个ARP请求来说,除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后,它就把硬件地址填进去,然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址,并把操作字段置为2,最后把它发送回去。

ARP 高速缓存超时设置

在ARP高速缓存中的表项一般都要设置超时值。从伯克利系统演变而来的系统一般对完整的表项设置超时值为20分钟,而对不完整的表项设置超时值为3分钟(例如在以太网上对一个不存在的主机发出ARP请求。)当这些表项再次使用时,这些实现一般都把超时值重新设为20分钟。

ARP 代理

如果ARP请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机,那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求,这个过程称作委托ARP或ARP代理(Proxy ARP)。这样可以欺骗发起ARP请求的发送端,使它误以为路由器就是目的主机,而事实上目的主机是在路由器的“另一边”。路由器的功能相当于目的主机的代理,把分组从其他主机转发给它。

ARP代理也称作混合ARP(promiscuousARP)或ARP出租(ARP hack)。这些名字来自于ARP代理的其他用途:通过两个物理网络之间的路由器可以互相隐藏物理网络。在这种情况下,两个物理网络可以使用相同的网络号,只要把中间的路由器设置成一个ARP代理,以响应一个网络到另一个网络主机的ARP请求。这种技术在过去用来隐藏一组在不同物理电缆上运行旧版TCP/IP的主机。分开这些旧主机有两个共同的理由,其一是它们不能处理子网划分,其二是它们使用旧的广播地址(所有比特值为0的主机号,而不是目前使用的所有比特值为1 的主机号)。

免费 ARP

我们可以看到的另一个ARP特性称作免费ARP(gratuitous ARP)。它是指主机发送ARP查找自己的IP地址。通常,它发生在系统引导期间进行接口配置的时候。

免费ARP可以有两个方面的作用:

  1. 一个主机可以通过它来确定另一个主机是否设置了相同的IP地址。主机bsdi并不希望对此请求有一个回答。但是,如果收到一个回答,那么就会在终端日志上产生一个错误消息“以太网地址:a:b:c:d:e:f发送来重复的IP地址”。这样就可以警告系统管理员,某个系统有不正确的设置。
  2. 如果发送免费ARP的主机正好改变了硬件地址(很可能是主机关机了,并换了一块接口卡,然后重新启动),那么这个分组就可以使其他主机高速缓存中旧的硬件地址进行相应的更新。一个比较著名的ARP协议事实[Plummer 1982]是,如果主机收到某个IP地址的ARP请求,而且它已经在接收者的高速缓存中,那么就要用ARP请求中的发送端硬件地址(如以太网地址)对高速缓存中相应的内容进行更新。主机接收到任何ARP请求都要完成这个操作(ARP请求是在网上广播的,因此每次发送ARP请求时网络上的所有主机都要这样做)。

arp 命令

ARP -s inet_addr eth_addr [if_addr]
ARP -d inet_addr [if_addr]
ARP -a [inet_addr] [-N if_addr] [-v]

-a 通过询问当前协议数据,显示当前 ARP 项。如果指定 inet_addr,则只显示指定计算机的 IP 地址和物理地址。如果不止一个网络接口使用 ARP,则显示每个 ARP 表的项。 -g 与 -a 相同。 -v 在详细模式下显示当前 ARP 项。所有无效项和环回接口上的项都将显示。 inet_addr 指定 Internet 地址。 -N if_addr 显示 if_addr 指定的网络接口的 ARP 项。 -d 删除 inet_addr 指定的主机。inet_addr 可以是通配符 *,以删除所有主机。 -s 添加主机并且将 Internet 地址 inet_addr与物理地址 eth_addr 相关联。物理地址是用连字符分隔的 6 个十六进制字节。该项是永久的。 eth_addr 指定物理地址。 if_addr 如果存在,此项指定地址转换表应修改的接口的 Internet 地址。如果不存在,则使用第一个适用的接口。

示例:

arp -s 157.55.85.212 00-aa-00-62-c6-09…. 添加静态项。 arp -a …. 显示 ARP 表。

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