《TCP/IP详解卷1：协议》第4章 ARP：地址解析协议-读书笔记

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《TCP/IP详解卷1：协议》第17、18章 TCP：传输控制协议（1）-读书笔记

《TCP/IP详解卷1：协议》第17、18章 TCP：传输控制协议（2）-读书笔记

《TCP/IP详解卷1：协议》第19章 TCP的交互数据流-读书笔记

1、引言

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。

说明：ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。这个过程是自动完成的，一般应用程序用户或系统管理员不必关心。

2、举一个例子

当敲入以下命令时：ftp bsdi（主机名），会发生下列步骤：

（1）应用程序FTP客户端调用函数gethostbyname把主机名（bsdi）转换成32 bit的IP地址。这个转换过程或者使用DNS，或者在较小网络中使用一个静态的主机文件（/etc/hosts）。

（2）FTP客户端请求TCP用得到的IP地址建立连接。

（3）TCP发送一个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，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。

（5）假定是一个以太网，那么发送端主机必须把32 bit的IP地址变换成48 bit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，这是ARP的功能。

（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），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寻问它的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-应答交换的IP数据报现在就可以传送了。

（9）发送IP数据报到目的主机。

说明：

（1）在ARP背后有一个基本概念，就是网络接口有一个硬件地址（一个48 bit的值，标识不同的以太网或令牌环网络接口）。

（2）在硬件层次上进行的数据帧交换必须有正确的接口地址。但是，TCP/IP有自己的地址：32 bit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。

（3）ARP的功能是在32 bit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。

（4）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。

3、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Intern et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。

可用arp命令来检查ARP高速缓存。-a的意思是显示高速缓存中所有的内容。

48 bit的以太网地址用6个十六进制的数来表示，中间以冒号隔开。

4、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4-3所示。

注意：ARP也可以用于其他类型的网络，可以解析IP地址以外的地址。

ARP分组说明：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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）。

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。

5、关于ARP请求的其他说明

（1）尽管ARP请求是广播的，但ARP应答是直接送到请求端主机的，而不是广播的。

（2）一般情况下，当系统收到ARP请求或发送ARP应答时，都要把请求端的硬件地址和IP地址存入 ARP高速缓存。在逻辑上可以假设，如果请求端要发送IP数据报，那么数据报的接收端将很可能会发送一个应答。

（3）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。

6、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。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”。

说明：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。

7、免费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有两个作用：

（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。主机并不希望对此ARP请求有一个回答。

（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。

说明：

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（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）。

小结：

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，可以用arp命令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。