小白学网络之四_TCPIP协议之ARP协议

           今天看到了一篇博文，一个14年经验的IT从业者，写得很深刻，竟然是从银行出来的，现在程序员圈子里，有好多人，总在说程序员不好，什么什么的，其实只是这些人，自欺欺人罢了。想必是自己的不顺，想来发泄，又找不到地方，这种人最最可悲，但凡混得好的，怎么会去发那样的文章。羡慕，嫉妒，恨，这些没有任何用，你没法改变这个社会，但是你可以改变你自己。
      
           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48bit地址)，这是使用数据链路的任何网络层必须遵从的。


          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48bit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.

          地址解析为这两种的地址形式提供映射：32bit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。我们之所以用动态这个词是因为这个过程是自动完成的，一般应用程序用户和系统管理员不必关心。


           RARP是被那些没有磁盘驱动器的系统使用(一般是无盘工作站或X终端)，它需要系统管理员进行手工设置。


          任何时候我们敲入下面这个形式的命令时：


           ftp bsdi


      1) 应用程序FTP客户端调用函数gethostbyname把主机名(bsdi)转换为32bit的IP地址。这个函数在DNS(域名系统)中称作解析器。


      2) FTP客户端请求TCP用得到的IP地址建立连接。


      3) TCP发送连接请求分段到远端的主机，即用上述IP地址发送一份IP数据报。


      4) 如果目的主机在本地网络上(如以太网，令牌环网或点对点链接的另一端)，那么IP数据报可以直接送到目的主机上。如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过IP选路函数来确定位于本地网络上的下一站路由器地址，并让它转发IP数据报。在这两种情况下，IP数据报都是被送到位于本地网络上的一条主机或路由器。


      5) 假定是一个以太网，那么发送端主机必须把32bit的IP地址变换成48bit的以太网地址。从逻辑Internet 地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是ARP的功能。ARP本来是用于广播网络的，有许多主机或路由器连在同一个网络上。


      6) ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播。ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址(主机名为bsdi)，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址”

      

      7) 目的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在询问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址。


      8) 收到ARP应答后，使ARP进行请求-应答交互的IP数据报现在就可以传送了。
 
      9) 发送IP数据报到目的主机。


              在ARP背后有一个基本概念，那就是网路接口有一个硬件地址(一个48bit的值，标识不同的以太网或令牌环网络接口)。在硬件层次上进行的数据帧交互必须有正确的接口地址。但是，TCP/IP有自己的地址：32bit的IP地址。知道主机的IP地址并不能让内核发送一帧数据给主机。内核(如以太网驱动程序)必须知道目的端的硬件地址才能发送数据。ARP的功能是在32bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射。


            点对点链路不使用ARP.当设置这些链路时(一般在引导过程进行)，必须告知内核链路每一端的IP地址。像以太网地址这样的硬件地址并不涉及。


            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。


            ARP的分组格式

            在以太网上解析IP地址时，ARP请求和应答分组的格式如图所示(ARP可以用于其他类型的网络，可以解析IP地址以外的地址。紧跟着帧类型字段的前四个字段指定了最后四个字段的类型和长度)

           

            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请求和应答来说，改字段的值为0x0806.


            Hardware和protocol用来描述ARP分组中的各个字段。例如，一个ARP请求分组询问协议地址(这里是IP地址)对应的硬件地址(这里是以太网地址)


            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。


            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，出目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统受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份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。当这些表项再次使用时，这些实现一般都把超时值重新设置为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，那么连接着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或代理ARP(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(promiscuous ARP)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，其二是他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发送重复的IP地址”


             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。


            在大多数的TCP/IP实现中，ARP是一个基础协议，但是它的运行对于应用程序或系统管理员来说一般是透明的。ARP高速缓存在它的运行过程中非常关键，我们可以用arp命令来对高速缓存进行检查和操作。高速缓存中的每一项内容都有一个定时器，根据它来删除不完整和完整的表项。ARP命令可以显示和修改ARP高速缓存中的内容。