(004)TCP/IP协议-ARP与RARP

一、引言

在真实的网络上传输的数据帧不是IP地址来传的，是通过每一个网卡的特有的物理地址（MAC地址）来传输的。上层协议一般是只知道IP地址，不知道MAC地址的。因此需要有通过IP地址知道MAC地址的方法，这就是ARP（Addess Resolution Protocol）。
有时候知道一台机器的物理地址，而不知道该机器的IP地址（如，具有本地磁盘的系统引导时，一般是从磁盘上的配置文件中读取IP地址。但是无盘机/无盘工作站，则需要采用其他方法（RARP）来获得 I P地址）。通常是某主机发送一份RARP数据包到网络上，另一主机（RARP服务器）响应该RARP数据包，告诉当前主机他的IP地址。

二、ARP与RARP数据包

图1. 完整的ARP/RARP数据帧

这是是一个完整的以太网ARP/RARP数据帧（图1中，每一域的长度单位是字节），该帧去掉了CRC校验和，前三个区域为前面介绍的链路层以太网帧格式。ARP与RARP的数据包格式是相同的，只是某些区域字段值（以太帧类型、操作数）不相同而已。除去以太帧首部外的其他域解释如下：

以太帧帧类型：长度2个字节，0x0800-IP数据包，0x0806-ARP请求/应答数据包，0x8035-RARP请求/应答数据包。
硬件类型（Hardware type）：指明该ARP数据包的网络硬件类型，长度2个字节，0x0001-以太网。
协议类型（Protocol type）：指明该ARP数据包的使用协议，长度2个字节，0x0800-IP地址协议。协议类型与硬件类型共同确定后面数据存储结构，这里只是以太网ARP/RARP。
硬件地址长度（Hardware Size）：指明之后的硬件地址长度，长度1个字节。0x06-以太网地址长度（6个字节），该长度的单位是字节。
协议地址长度（Protocol Size）:指明之后的协议地址长度，长度1个字节。0x04-IP地址长度（4个字节），该长度的单位是字节。
操作码（Opcode）：指明该数据包是干嘛的，长度2个字节。0x0001-ARP请求包，0x0002-ARP应答包；0x0003-RARP请求包，0x0004-RARP应答包。
源以太网MAC地址（Sender MAC Address）：发送端以太网物理地址，长度6个字节。
源IP地址（Sender IP Address）：发送端IP地址，长度4个字节。
目的以太网MAC地址（Target MAC Address）：目的以太网MAC地址，长度6个字节。ARP发送包初始化为0，ARP应答包为具体MAC地址；RARP发送包初始化为需要解析的MAC地址。
目的IP地址（Target IP Address）：目的IP地址，长度为4个字节。ARP发送包初始化为需要解析的IP地址。RARP发送包初始化为0，RARP应答包填充对应的IP地址。

ARP与RARP数据包既可以单播（以太网目的地址为具体的某个机器的MAC地址），也可以广播（以太网目的地址为全为1的MAC地址）。

三、ARP与RARP特性

1. ARP特性

ARP高速缓存：ARP能够高效运行的原因是每一个主机都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近的IP地址与硬件之间的映射关系。高速缓存一般设置的生存时间是20分钟。起始时间是从被创建时候开始算起。在命令行中，我们可以通过arp命令查看这些缓存。

图2. 通过arp命令管理arp缓存
ARP代理（Proxy ARP）:有时候需要将网络A中的数据包发送到网络B中某主机，当在网络A中发送ARP请求包的时候，网络A与网络B之间的路由器会响应该ARP包。这样就让ARP请求包发送端，误认为路由器是目的主机。
额外的ARP（gratuitous ARP）:指的是主机A发送查找主机A的IP地址对应MAC的ARP请求包。发送查找自己的ARP包怪吗？不怪，因为可以通过这种方式：（1）.该网络上是否具有相同IP地址的主机。（2）.如果主机A的物理地址发生变化，可以通过这种方式更新其他主机中相应的ARP高速缓存。

2.RARP特性

RARP的响应需要RARP服务器的。该服务器记录了IP地址与物理地址的对应关系。通常一个网络中有多个RARP服务器。
当服务器的数目增加时（以提供冗余备份），网络流量也随之增加，因为每个服务器对每个RARP请求都要发送RARP应答。发送RARP请求的无盘系统一般采用最先收到的 RARP应答（对于 ARP，我们从来没有遇到这种情况，因为只有一台主机发送 ARP应答）。另外，还有一种可能发生的情况是每个 RARP服务器同时应答，这样会增加以太网发生冲突的概率。

四、ARP抓包

图3. ARP请求包

图4. ARP应答包

上面，两图是一对。我们可以看到这是一个单播的ARP。

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