ARP(地址解析协议)和RARP(逆地址解析协议)
ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。
首先来看一个例子
我们敲入下面这个形式的命令:
% ftp bsdi
都会进行以下这些步骤。这些步骤的序号如图4-2所示。
- 应用程序FTP客户端调用函数gethostbyname(3)把主机名(bsdi)转换成32 bit的IP地址。这个函数在DNS(域名系统)中称作解析器,我们将在第14章对它进行介绍。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)。
- FTP客户端请求TCP用得到的IP地址建立连接。
- 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(在第18章我们将讨论完成这个过程的细节)。
- 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台主机或路由器。
- 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。
- 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,如图4-2中的虚线所示。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。”
- 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。
- 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。
- 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)。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。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。
ARP的数据报分组格式
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)
1)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。
2)两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于ARP请求或应答来说,该字段的值为0x0806。
3)hardware(硬件)和protocol(协议)类型用来描述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,这是有意设计的。
4)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。
5)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)(我们在第5章讨论RARP)。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。
6)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,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。
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(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。即路由器代理ARP。
RARP
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,如X终端或无盘工作站,则需要RARP方法来获得IP地址。
RARP分组的格式与ARP分组基本一致(见图4-3)。它们之间主要的差别是RARP请求或应答的帧类型代码为0x8035,而且RARP请求的操作代码为3,应答操作代码为4。
对应于ARP,RARP请求以广播方式传送,而RARP应答一般是单播(unicast)传送的。
RARP服务器的设计
虽然RARP在概念上与ARP相似,但是一个RARP服务器的设计与系统相关而且比较复杂。相反,提供一个ARP服务器很简单,通常是TCP/IP在内核中实现的一部分。由于内核知道IP地址和硬件地址,因此当它收到一个询问IP地址的ARP请求时,只需用相应的硬件地址来提供应答就可以了。
作为用户进程的RARP服务器
RARP服务器的复杂性在于,服务器一般要为多个主机(网络上所有的无盘系统)提供硬件地址到IP地址的映射。该映射包含在一个磁盘文件中(在Unix系统中一般位于/etc/ethers目录中)。由于内核一般不读取和分析磁盘文件,因此RARP服务器的功能就由用户进程来提供,而不是作为内核的TCP/IP实现的一部分。
更为复杂的是,RARP请求是作为一个特殊类型的以太网数据帧来传送的(帧类型字段值为0x8035,如图2-1所示)。这说明RARP服务器必须能够发送和接收这种类型的以太网数据帧。在附录A中,我们描述了BSD分组过滤器、Sun的网络接口栓以及SVR4数据链路提供者接口都可用来接收这些数据帧。由于发送和接收这些数据帧与系统有关,因此RARP服务器的实现是与系统捆绑在一起的。
每个网络有多个RARP服务器
RARP服务器实现的一个复杂因素是RARP请求是在硬件层上进行广播的。这意味着它们不经过路由器进行转发。为了让无盘系统在RARP服务器关机的状态下也能引导,通常在一个网络上(例如一根电缆)要提供多个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。
该文章大部分段落取材于《TCP/IP详解 卷1:协议》
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