第五章-地址解析协议

章地址解析协议（ARP）5.1以太网寻址5.2标准的地址解析过程教学目的5.3改进的地址解析过程教学目的本章主要介绍为什么要使用地址解析协议（ARP），ARP的基本原理和ARP的改进技术，本章内容大部分位于OSI模型中的网络层和TCP/IP模型中的Internet层。5.1以太网寻址在互联网中，IP地址能够屏蔽各个物理网络地址的差异，为上层用户提供统一的地址形式，这种统一是通过在物理地址上覆盖一层IP软件实现的，互联网并不对物理地址做任何修改。高层软件通过IP地址来指定源地址和目的地址，而低层的物理网络通过物理地址发送和接收信息。将IP地址映射到物理地址的实现方法有多种（如静态表格、直接映射等），每种网络都可以根据自身的特点选择适合与自己的映射方法。地址解析协议ARP(AddressRssolutionProtocol)是以太网经常使用的映射方法，它充分利用了以太网的广播能力，将IP地址与物理地址进行动态联编。5.2标准的地址解析过程以太网一个很大的特点就是具有强大的广播能力。针对这种具备广播能力、物理地址长但是长度固定的网络，IP互联网采用了动态联编方式进行IP地址到物理地址的映射，并制定了相应的协议—ARP协议。在传送一个IP数据包前，TCP/IP客户端必须将转发的或下一跃点的IP地址解析为相应的物理地址，为此，客户端将广播一个ARP请求信息包以获得物理地址，使用相应IP地址的计算机就以包含它的物理地址的ARP回复信息响应。使用此回复信息中的信息，计算机可以将IP数据包封装在适当的帧中，并将它传送到下一个跃点。假设：在一个以太网中，主机A欲获得主机B的IP地址与物理地址的映射关系，主机A将向以太网内所有的主机（包括主机B和主机C在内）广播ARP请求，具体的工作过程如下（见图5-1）：图5-1ARP协议工作过程(l）主机A广播发送一个带有它自己的IP地址、物理地址和目标主机（主机B）IP地址的请求数据包，请求主机B用它的IP地址和物理地址的映射关系进行响应。(2）以太网上的所有主机接收到这个请求信息（包括主机B和主机C在内），并处理该ARP请求。(3）主机C识别该请求信息，发现自己的IP地址与被请求的IP地址（即目标主机IP地址)不匹配，则丢弃该ARP请求；主机B识别该请求信息，发现自己的IP地址与被请求的IP地址是匹配的，则向主机A发送自己的IP地址和物理地址映射关系的响应信息包。(4）主机A得到主机B的IP地址于物理地址的映射关系，并可以在随后的发送过程中使用该映射关系。5.3改进的地址解析过程ARP请求信息和响应信息的频繁发送和接收必然对网络的效率产生影响，为了提高效率，ARP可以采用以下的改进技术。5.3.1高速缓存技术在每台使用ARP的主机中，都保留了一个专用的高速缓存区（cache），用于保存已知的ARP表项。一旦收到ARP响应包，主机就将获得的IP地址与物理地址的映射关系存入高速缓存的ARP表中。当发送信息时，主机先到高速缓存的ARP表中查找相应得映射关系，若找不到，再利用ARP进行地址解析。利用高速缓存技术，主机不必为每个发送的IP数据包使用ARP协议，这样可以减少网络流量，提高处理的效率。主机的物理地址通常存储在网卡上，一旦网卡从一台主机换到另一台主机，或者一台主机更改了IP地址，那么其IP地址与物理地址的对应关系也就发生了变化。为了保证主机中ARP表内容的正确性，ARP表必须经常更新。为此，ARP表中的每一个表项读被分配了一个计时器，一旦某个表项超过了计时时限，主机就会自动将它删除，以保证ARP表的有效性。实践表明，由于多数网络通信都需要持续发送多个信息包，所以即使高速缓存区保存一个小的ARP表，也可以大大提高ARP的效率。5.3.2其他改进技术为了提高网络效率，有些软件在ARP实现过程中还采取了以下措施：主机在发送ARP请求时，信息包中包含了自己的IP地址与物理地址的映射关系。这样目标主机就可以将该映射关系存储在自己的ARP表中，以备随后使用。由于主机之间的通信一般是相互的，因此，当主机A发送消息到主机B后，主机B通常需要做出回应。利用这种ARP改进技术，可以防止目标主机紧接着为解析源主机的IP地址与物理地址的映射关系而再来一次ARP请求。由于ARP请求是通过广播发送出去的，因此网络中的所有主机都会收到源主机的IP地址与物理地址的映射关系。于是，所有的主机都可以将该IP地址与物理地址的映射关系存入各自得高速缓存中，以备将来使用。这样，就避免了网络中所有主机在一定时间内向源主机发起的ARP请求。▪网络中的主机在启动或者接口发生变化时，可以主动广播自己的IP地址与物理地址的映射关系，以便网络中其它主机及时刷新缓存内得地址映射信息，从而尽量避免其它主机对他进行的ARP请求。5.3.3完整的地址解析过程针对上文中同样的例子，假设：在一个以太网中，主机A欲获得主机B的IP地址与物理地址的映射关系，主机A将向以太网内所有的主机（包括主机B和主机C在内）广播ARP请求，经过改进之后，其完整的ARP工作过程如下（见图5-2）：图5-2完整的ARP协议工作过程(l）在主机A上，ARP参考自己的ARP缓存项寻找目标地址，如果找到项，ARP继续执行步骤（6），找不到项，则顺序执行步骤(2）。(2）如果在缓存中没有找到项，主机A广播发送一个带有它自己的IP地址、物理地址和目标主机（主机B）IP地址的请求数据包，请求主机B用它的IP地址和物理地址的映射关系进行响应。(3）以太网上的所有主机接收到这个请求信息（包括主机B和主机C在内），并处理该ARP请求。

(4）主机C识别该请求信息，发现自己的IP地址与被请求的IP地址（即目标主机IP地址)不匹配，则丢弃该ARP请求；主机B识别该请求信息，发现自己的IP地址与被请求的IP地址是匹配的，则向主机A发送自己的IP地址和物理地址映射关系的响应信息包，同时主机B用ARP请求的发送者（主机A）的地址更新它