地址解析協定

維基百科，自由的百科全書
（重新導向自Address Resolution Protocol）
跳至導覽 跳至搜尋

地址解析協定（英語：Address Resolution Protocol，縮寫：ARP）是一個通過解析網絡層地址來找尋數據鏈路層地址的網絡傳輸協定，在IPv4中極其重要。ARP最初在1982年的RFC 826（徵求意見稿）[1]中提出，並納入互聯網標準STD 37。ARP也可能指在多數作業系統中管理其相關地址的一個行程。

ARP允許主機通過提供協定來取得與IP位址關聯的MAC地址，從而將IPv4封包傳送到本地網絡中的另一個節點。主機利用廣播包含目標節點IP位址的請求，而具有該IP位址的節點以其MAC地址回應請求。

ARP通過網絡地址來定位MAC地址。ARP已在多種網絡層和數據鏈路層之間得以實現，包括IPv4、Chaosnet（英語：Chaosnet）、DECnet（英語：DECnet）和Xerox PARC Universal Packet（英語：PARC Universal Packet）（PUP）。使用IEEE 802標準、光纖分散式數據介面、X.25、幀中繼和非同步傳輸模式（ATM）時，IEEE 802.3和IEEE 802.11標準上IPv4佔用了多數流量。

在IPv6中，鄰居發現協定（NDP）可用於代替地址解析協定。

基本功能[編輯]

在TCP/IP協定中，傳輸層只關心目標主機的IP位址和埠，因為只需確認傳輸層的封包所要互動的目的地，即目標主機上的目標應用程式。網絡層會對傳輸層的包進行封裝，形成IP包。網絡層只關心目標機器的IP位址，並根據此地址定址到網絡上的目標機器。

在乙太網絡中，IP封包又被封裝在乙太網絡幀中，經實體層（即網卡）傳送到網絡上。乙太網絡幀根據MAC地址來定址到目的機器的網卡。區域網絡中的所有機器的網卡都會接收到這個幀，只有幀頭部中的目的MAC地址與自己網卡的MAC地址匹配時，才會向網絡協定棧交付該幀中的封包；否則網卡會丟棄該幀。因此，當同一區域網絡中的一台主機要與另一台主機、交換機或路由器等進行網絡通訊時，必須知道與本機用網線連接的目標裝置網絡介面的MAC地址（即網卡地址）。這就導致在乙太網絡中使用IP協定向下傳遞IP包時，IP包被包含在乙太網絡幀中。

乙太網絡幀有自身的格式，在幀頭部需要填充目的機器MAC地址。此時若從ARP表中未能查詢到目的IP位址對應的MAC地址，主機會暫存該IP封包。主機剛連接到區域網絡或重新啟動之後，往往不知道目的方的MAC地址。若要向目的機器傳送IP包，需先取得目的機器的MAC地址。這一過程通過傳送稱為ARP請求的封包來實現。

ARP封包也被包含在乙太網絡幀中。傳送時，幀頭部中的目的MAC地址填寫為廣播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF，使該區域網絡的所有機器收到廣播幀後均向協定棧遞交幀中的封包（此處為ARP封包），廣播至整個區域網絡。僅當某桌機器的IP位址與該ARP請求中詢問的IP位址相同時，該機器才會返回ARP回應封包。回應包中包含詢問的IP位址和MAC地址。本地主機收到回應的ARP封包後，提取IP位址和MAC地址，記錄到ARP表中，從而建立目的主機的IP位址與MAC地址的對應關係。隨後，主機找到先前因缺少目的MAC地址而暫存的封包，用乙太網絡幀封裝，並用該ARP表項中的MAC地址填充幀頭部中的MAC地址域。該幀傳送到區域網絡後，目標機器網卡判斷MAC地址匹配，便向上層協定棧遞交幀中的封包，數據得以交付；其他主機則因MAC地址不匹配而丟棄該幀。這就是ARP協定的基本工作流程。

另外，當傳送主機和目的主機不在同一個區域網絡中時，即使知道對方的MAC地址，兩者也無法直接通訊，必須經過路由器進行IP層轉發。路由器在鏈路層上隔離了區域網絡（除非進行網絡層次的顯式轉發，否則路由器不會將區域網絡中的乙太網絡幀自動轉發到其他區域網絡或外網。這一隔離功能正是路由器的基本作用之一，可防止廣播幀泛濫導致網絡癱瘓）。此時傳送主機會將閘道器IP位址作為目的IP位址（由IP層決定），通過ARP協定獲得的將不是目的主機的真實MAC地址，而是一台可以通往區域網絡外的路由器的MAC地址。此後，傳送主機發往目的主機的所有幀均發往該路由器，由其向外轉發。這種情況稱為委託ARP或ARP代理（ARP Proxy）。

在點對點鏈路中不使用ARP。實際上，點對點網絡中也不使用MAC地址，因為在此類網絡中已分別取得了對端的IP位址。

封包結構[編輯]

地址解析協定的訊息格式簡單，僅包含單一的地址解析請求或響應。ARP訊息的長度取決於上下兩層地址的大小：上層地址由所使用的網絡協定類型（通常是IPv4）決定，下層地址則由上層協定所使用的硬件或虛擬鏈路層的類型決定。訊息的報頭中包含這些類型及對應的地址長度資訊，此外還包含表示請求（1）和應答（2）的操作碼。封包的有效負載為收發雙方的硬件地址和協定地址，總計四個地址。

為了將IP位址對映到48位元乙太網絡地址用於傳輸，需要採用體現地址轉換協定的包格式。

乙太網絡幀[編輯]

  • 目標乙太網絡地址：目標MAC地址。FF:FF:FF:FF:FF:FF（二進制全1）為廣播地址。
  • 源乙太網絡地址：傳送方MAC地址。
  • 幀類型：乙太類型，ARP為0x0806。

ARP報文[編輯]

  • 硬件類型（HTYPE）：如乙太網絡（0x0001）、分組無線網。
  • 協定類型（PTYPE）：如網際協定（IP）（0x0800）、IPv6（0x86DD）。
  • 硬件地址長度（HLEN）：每種硬件地址的位元組長度，一般為6（乙太網絡）。
  • 協定地址長度（PLEN）：每種協定地址的位元組長度，一般為4（IPv4）。
  • 操作碼：1為ARP請求，2為ARP應答，3為RARP請求，4為RARP應答。
  • 源硬件地址（Sender Hardware Address，簡稱SHA）：n個位元組，n由硬件地址長度得到，一般為傳送方MAC地址。
  • 源協定地址（Sender Protocol Address，簡稱SPA）：m個位元組，m由協定地址長度得到，一般為傳送方IP位址。
  • 目標硬件地址（Target Hardware Address，簡稱THA）：n個位元組，n由硬件地址長度得到，一般為目標MAC地址。
  • 目標協定地址（Target Protocol Address，簡稱TPA）：m個位元組，m由協定地址長度得到，一般為目標IP位址。

ARP協定的參數由互聯網號碼分配局（IANA）負責標準化和維護。

ARP協定的乙太類型為0x0806。該類型出現於乙太網絡幀格式中的乙太類型欄位。請注意區別此類型和ARP協定類型（PTYPE）。

報文格式[編輯]

長度（位） 48 48 16 16 16 8 8 16 48 32 48 32
資料類型 目標乙太網絡地址 源乙太網絡地址 幀類型 硬件類型 協定類型 硬件地址長度 協定地址長度 操作碼 源硬件地址 源協定地址 目標硬件地址 目標協定地址
組成 14位元組 乙太網絡首部 28位元組 ARP請求/應答

原理[編輯]

File:Windows cmd arp a.png
在Windows命令列檢視ARP快取表

每台安裝TCP/IP協定的電腦或路由器中都有一個ARP快取表，表內的IP位址與MAC地址一一對應，如下表所示。

主機名稱 IP位址 MAC地址
A 192.168.38.10 00-AA-00-62-D2-02
B 192.168.38.11 00-BB-00-62-C2-02
C 192.168.38.12 00-CC-00-62-C2-02
D 192.168.38.13 00-DD-00-62-C2-02
E 192.168.38.14 00-EE-00-62-C2-02
... ... ...

以主機A（192.168.38.10）向主機B（192.168.38.11）傳送數據為例：

  1. 傳送數據時，主機A先在自身的ARP快取表中尋找是否有目標IP位址。若找到，便得知目標MAC地址為（00-BB-00-62-C2-02），直接將目標MAC地址寫入幀中傳送即可。
  2. 若ARP快取表中未找到對應的IP位址，主機A便在網絡上傳送一個廣播（ARP request），目標MAC地址為「FF.FF.FF.FF.FF.FF」，表示向同一網段內的所有主機詢問：「192.168.38.11的MAC地址是什麼？」
  3. 網絡上其他主機不響應ARP詢問，只有主機B接收到該幀後向主機A做出回應（ARP response）：「192.168.38.11的MAC地址是00-BB-00-62-C2-02」，此回應以單播方式進行。這樣主機A便獲知主機B的MAC地址，可向主機B傳送資訊。同時主機A更新自己的ARP高速緩衝記憶體（ARP cache），下次再向主機B傳送資訊時可直接從ARP快取表中尋找。

ARP快取表採用老化機制，在一段時間內若表中的某行未被使用，則會被刪除，以縮短快取表長度、加快查詢速度。

無償ARP（gratuitous ARP）是指主機傳送ARP查詢（廣播）自己的IP位址。當ARP功能開啟或埠初始組態完成時，主機向網絡傳送無償ARP來查詢自己的IP位址，以確認地址唯一可用。其作用包括：

  1. 確定網絡中是否有其他主機使用了該IP位址，若有應答則產生錯誤訊息。
  2. 無償ARP可用於更新ARP快取。網絡中的其他主機收到該廣播後強制更新快取條目：無論是否存在與IP位址相關的條目，收到廣播的主機均會將MAC更新為廣播包中的MAC。

協定的分層[編輯]

ARP協定在互聯網協定套件和OSI模型中的位置可能造成混淆與爭議。RFC 1122僅在數據鏈路層提及ARP協定，但未說明將其置於該層[2]。一些較舊的文件將ARP置於OSI的數據鏈路層[3]，而較新的版本則將其與網絡層聯絡起來[4]。

另見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ David C. Plummer. RFC 826, An Ethernet Address Resolution Protocol -- or -- Converting Network Protocol Addresses to 48.bit Ethernet Address for Transmission on Ethernet Hardware. Internet Engineering Task Force, Network Working Group. November 1982 [2017-09-14]. （原始內容存檔於2017-09-19）. 
  2. ^ RFC 1122
  3. ^ W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, Addison Wesley, 1994, ISBN 0-201-63346-9.
  4. ^ W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, Addison Wesley, 2011, ISBN 0-321-33631-3, page 14

外部連結[編輯]

取自 "https://arolstar52-zhtest.hf.space/index.php?title=地址解析协议&oldid=61218"