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分析ＡＲＰ協(xié)議的理論與實(shí)踐
摘要：充分認(rèn)識(shí)ARP的作用與工作過程有助于我們認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導(dǎo)我們分析網(wǎng)絡(luò)中故障發(fā)生的原因以及采用有效的方法排查故障。關(guān)鍵詞：網(wǎng)段；ARP協(xié)議；RARP協(xié)議；
充分認(rèn)識(shí)ARP的作用與工作過程有助于我們認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)、理解TCP/IP體系的通信原理，從而指導(dǎo)我們分析網(wǎng)絡(luò)中故障發(fā)生的原因以及采用有效的方法排查故障。首先，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的概念初學(xué)者往往難以一下子掌握。因此很有必要通過實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)員更加深入直觀地了解子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)與ARP協(xié)議的基本概念與工作原理。
1 子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask)
子網(wǎng)掩碼的主要功能是告知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一個(gè)特定的IP地址的哪一部分是包含網(wǎng)絡(luò)地址與子網(wǎng)地址，哪一部分是主機(jī)地址。網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備只要識(shí)別出目的地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)與子網(wǎng)號(hào)即可作出路由尋址決策，IP地址的主機(jī)部分不參與路由器的路由尋址操作，只用于在網(wǎng)段中唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口。
子網(wǎng)掩碼使用與IP相同的編址格式，子網(wǎng)掩碼為1的部分對(duì)應(yīng)于IP地址的網(wǎng)絡(luò)與子網(wǎng)部分，子網(wǎng)掩碼為0的部分對(duì)應(yīng)于IP地址的主機(jī)部分。將子網(wǎng)掩碼和IP地址作“與”操作后，IP地址的主機(jī)部分將被丟棄，剩余的是網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)地址。
2 網(wǎng)關(guān)(Gateway)
在Internet中的網(wǎng)關(guān)一般是指用于連接兩個(gè)或者兩個(gè)以上網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通常使用路由器(Router)作為網(wǎng)關(guān)。
在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系中，網(wǎng)關(guān)的基本作用是根據(jù)目的IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)與子網(wǎng)號(hào)，選擇最佳的出口對(duì)IP分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段的數(shù)據(jù)通信。
3 ARP協(xié)議(Address Resolution Protocol)
在以太網(wǎng)(Ethernet)中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要和另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行直接通信，除了知道目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層邏輯地址(如IP地址)外，還要知道目標(biāo)設(shè)備的第二層物理地址(MAC地址)。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標(biāo)設(shè)備的IP地址，查詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。
當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要和另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信時(shí)，它首先把目標(biāo)設(shè)備的IP地址與自己的子網(wǎng)掩碼進(jìn)行“與”操作，以判斷目標(biāo)設(shè)備與自己是否位于同一網(wǎng)段內(nèi)。如果目標(biāo)設(shè)備在同一網(wǎng)段內(nèi)，并且源設(shè)備沒有獲得與目標(biāo)IP地址相對(duì)應(yīng)的MAC地址信息，則源設(shè)備以第二層廣播的形式(目標(biāo)MAC地址為全1)發(fā)送ARP請(qǐng)求報(bào)文，在ARP請(qǐng)求報(bào)文中包含了源設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備的IP地址。同一網(wǎng)段中的所有其他設(shè)備都可以收到并分析這個(gè)ARP請(qǐng)求報(bào)文，如果某設(shè)備發(fā)現(xiàn)報(bào)文中的目標(biāo)IP地址與自己的IP地址相同，則它向源設(shè)備發(fā)回ARP響應(yīng)報(bào)文，通過該報(bào)文使源設(shè)備獲得目標(biāo)設(shè)備的MAC地址信息。
如果目標(biāo)設(shè)備與源設(shè)備不在同一網(wǎng)段，則源設(shè)備首先把IP分組發(fā)向自己的缺省網(wǎng)關(guān)(Default Gateway)，由缺省網(wǎng)關(guān)對(duì)該分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果源設(shè)備沒有關(guān)于缺省網(wǎng)關(guān)的MAC信息，則它同樣通過ARP協(xié)議獲取缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址信息。
為了減少廣播量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過ARP表在緩存中保存IP與MAC地址的映射信息。在一次ARP的請(qǐng)求與響應(yīng)過程中，通信雙方都把對(duì)方的MAC地址與IP地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系保存在各自的ARP表中，以在后續(xù)的通信中使用。ARP表使用老化機(jī)制，刪除在一段時(shí)間內(nèi)沒有使用過的IP與MAC地址的映射關(guān)系。
4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
我們通過設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)員更深入直觀地理解上述三個(gè)知識(shí)點(diǎn)所涉及的基本概念與原理。在實(shí)驗(yàn)中，我們利用ping命令來檢驗(yàn)主機(jī)間能否進(jìn)行正常的雙向通信。在“ping”的過程中，源主機(jī)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送ICMP的Echo Request報(bào)文，目標(biāo)主機(jī)收到后，向源主機(jī)發(fā)回ICMP的Echo Reply報(bào)文，從而可以驗(yàn)證源與目標(biāo)主機(jī)能否進(jìn)行正確的雙向通信。
A與B為實(shí)驗(yàn)用的PC機(jī)，使用Windows2000 Professional作操作系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)方案：
步驟1：
設(shè)置兩臺(tái)主機(jī)的IP地址與子網(wǎng)掩碼：
A: 192.168.1.130 255.255.255.0
B: 192.168.1.125 255.255.255.0
兩臺(tái)主機(jī)均不設(shè)置缺省網(wǎng)關(guān)。
用arp -d命令清除兩臺(tái)主機(jī)上的ARP表，然后在A與B上分別用ping命令與對(duì)方通信，在A與B上分別顯示，
A: Reply from 192.168.1.125: bytes=32 time
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