3.2.2ARP协议(课件）-《计算机网络技术基础》同步教学（高教版）

ARP协议 大家好，本节课我们开始学习IP协议栈的知识。 前期课程中，我们学习到IP协议（Internet Protocol，互联网协议），是TCP/IP协议栈中最核心的协议之一，通过IP地址，保证了联网设备的唯一性，实现了网络通信的面向无连接和不可靠的传输功能。 那么本节课，我们将继续深入了解下 1 ARP基本概念 01 ARP解析过程 02 免费ARP 03 目录 CONTENTS 本节课，我们将会分为三个部分进行讲解 2 01 ARP基本概念 数据链路层在进行数据封装时，需要目的MAC地址。 ARP IP : 10.1.1.1/24 MAC : 00-01-02-03-04-AA 目的IP : 10.1.1.2 源IP : 10.1.1.1 目的MAC : 未知 源MAC : 00-01-02-03-04-AA IP : 10.1.1.2/24 MAC : 00-01-02-03-04-BB ETH_II IP DATA FCS 主机 A 主机 B 灵石县第一职业高级中学 一个网络设备要发送数据给另一个网络设备时，必须要知道对方的IP地址。但是，仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送，而数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取下一跳的MAC地址。 IP地址由网络层来提供，MAC地址通过ARP协议来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分，它能够通过目的IP地址获取目标设备的MAC地址，从而实现数据链路层的可达性。 02 ARP解析过程 ARP报文不能穿越路由器，不能被转发到其他广播域。 ARP数据包格式 FCS ARP 0 31 15 Ethernet_II Hardware Type Protocol Type Hardware Length Protocol Length Operation Code Source Hardware Address Source Protocol Address Destination Hardware Address Destination Protocol Address 灵石县第一职业高级中学 网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址。ARP报文中包含以下字段： Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网； Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP； Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节； Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP Request和ARP Reply； Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址； Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址； Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP Request报文中，该字段值为0； Destination Protocol Address指的是接收者的IP地址。 数据传输在二层，需要获取目的设备的MAC地址，而ARP协议就是完成这一MAC地址获取的功能！APR报文只可以在所属的广播域中，不可以跨越到三层 以太网帧中的Type字段值为0x0806，表示该帧的上层协议为ARP协议。 上层协议类型 DMAC Data SMAC Type FCS 6 B 6 B 2 B 46-1500 B 4 B 0x0806 ARP 灵石县第一职业高级中学 请大家回想下，在数据链路层中，是如何标识ARP协议的？Type字段值为0x0806，表示该帧的上层协议为ARP协议 主机A发送一个数据包给主机C之前，首先要获取主机C的MAC地址。 ARP工作过程 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 灵石县第一职业高级中学 通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。 ARP缓存 Host A>arp -a Internet Address Physical Address Type 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 灵石县第一职业高级中学 网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。 如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。 ARP请求 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 源MAC ： 00-01-02-03-04-AA 目的MAC : FF-FF-FF-FF-FF-FF ARP 目的IP : 10.0.0.3 源IP : 10.0.0.1 目的MAC : 00-00-00-00-00-00 源MAC : 00-01-02-03-04-AA 操作类型 : Request ETH_II FCS 灵石县第一职业高级中学 本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP Request来获取目的MAC地址。ARP Request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP Request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP Request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。 ARP响应 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA Host C>arp -a Internet address Physical address Type 10.0.0.1 00-01-02-03-04-AA Dynamic 灵石县第一职业高级中学 所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。 ARP响应 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 源MAC ： 00-01-02-03-04-CC 目的IP : 10.0.0.1 源IP : 10.0.0.3 目的MAC : 00-01-02-03-04-AA 源MAC : 00-01-02-03-04-CC 操作类型 : Reply 目的MAC ： 00-01-02-03-04-AA ARP ETH_II FCS 灵石县第一职业高级中学 主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，目的MAC地址是主机A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同时Operation Code被设置为Reply。ARP Reply报文通过单播传送。 ARP缓存 Host A>arp -a Internet address Physical address Type 10.0.0.3 00-01-02-03-04-CC Dynamic 主机 A 10.0.0.2/24 00-01-02-03-04-BB 主机 C 主机 B 10.0.0.3/24 00-01-02-03-04-CC 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 灵石县第一职业高级中学 主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。 ARP地址解析过程 源、目的主机 是否同一子网 解析网关/下一跳MAC 解析目的主机 MAC Y N 源主机 要发送IP包 ARP缓存中是否有IP-MAC条目 N Y 发送ARP请求并在 本地建立临时条目 根据接收的ARP报文 建立IP-MAC映射条目 根据ARP表中IP-MAC 映射条目封装成帧发送 灵石县第一职业高级中学 我们来总结下ARP的解析过程，如PPT所示 以太网中，发送IP包前判断目标主机是否在同一子网，如果是同一子网，请求目标主机MAC，如果是不同子网，请求网关/下一跳MAC。 源主机查看 ARP 缓存，是否存在要解析的IP—MAC的ARP映射表项。如果有，利用该表项对IP包进行封装并发送以太网帧。如果没有，则缓存该IP包，并建立ARP临时表项。 以广播方式发送ARP请求报文。 ARP请求报文中的Sender IP和Sender MAC为源主机A的 IP地址和MAC地址，Target IP和Target MAC地址为被请求节点的 IP地址和全 0的 MAC地址。 同一个广播域内的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的节点会对该请求进行处理。 被请求节点比较自己的 IP地址和请求报文中的Target IP，如果相同则将 ARP 请求报文中的Sender IP和Sender MAC存入自己的 ARP表中，并以单播方式发送 ARP响应报文给源主机，其中Sender IP和Sender MAC是自己的IP和MAC。 源主机 收到ARP响应报文后，将被请求节点的 MAC地址加入到自己的 ARP缓存中，同时将 IP包进行封装后发送出去 8 14 03 免费ARP 免费ARP可以用来探测IP地址是否冲突。 免费ARP 主机 A 10.0.0.1/24 00-01-02-03-04-AA 目的IP : 10.0.0.1 源IP : 10.0.0.1 目的MAC : 00-00-00-00-00-00 源MAC : 00-01-02-03-04-AA 源MAC ： 00-01-02-03-04-AA 目的MAC ： FF-FF-FF-FF-FF-FF ARP ETH_II FCS 灵石县第一职业高级中学 最后，我们来了解一种特殊的ARP类型：免费ARP，主要用来检测IP地址是否有冲突 主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP Request报文来进行地址冲突检测。 主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，且该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP Reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。 $$