計算機網絡-4-3-ARP地址解析協議以及IP數據報不可變組成部分

地址解析協議ARP

​ 在實際的應用中，我們會經常遇見這樣的一個問題：我們已知一個機器（主機或者路由器的），我們怎么獲取相應的硬件地址？，地址解析協議就是用來解決這個問題的。

1. ARP協議的作用：

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   • 由上圖可知：
     1. 首先ARP協議划歸為網絡層，但是ARP協議是為了從網絡層使用的IP地址，解析出在數據鏈路層的MAC地址，因此有的書也會把ARP協議划分到數據鏈路層。

2. ARP協議的要點

   1. 網絡層使用的是IP地址，但在實際的鏈路層傳輸數據幀我們使用的是MAC地址。在一個網絡上可能會有新的主機加入或者舊的主機撤去。除此之外更換網絡適配器也會導致MAC地址發生變化。ARP地址解析協議解決這個問題的方法是在主機ARP高速緩存中存放一張IP地址到MAC地址的映射表，而且這個表還要動態更新（添加或者刪除）

   2. 每個主機都有一個ARP高速緩存（ARP cache），里面有着本局域網的各個主機和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，這些都是該主機目前知道的一些地址。那么主機該怎么知道這些地址呢？

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        • 1. ARP進程在本局域網內廣播發送一個ARP請求分組。ARP請求分組的主要內容是：我的IP是209.0.0.5,我的MAC地址為00-00-C0-15-AD-18,我想知道IP地址為209.0.0.6的MAC地址為多少？
        • 2. 在本局域網所有的主機運行的ARP進程都會收到這條此ARP請求分組。
        • 3. 在主機B的IP地址與ARP請求分組中要查詢的IP地址一致，就收下這個ARP請求分組，並向主機主動發送一個ARP響應分組，同時在這個ARP響應分組寫入自己的MAC地址。由於其他主機的IP地址和ARP請求要查詢的IP地址不一樣，因此都不會理會這個ARP請求分組。
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        • 注意：
          • ARP請求分組是廣播，但是ARP響應分組單播，就從源地址發送到一個目的地址。
        • 4. 主機A收到這個ARP響應分組后，就在自己本地的ARP緩存中寫入主機B的IP地址到MAC地址的映射。同理，當主機B在接收到這個主機A發送過來的ARP請求分組時也會在主機B本地的ARP緩存中寫入主機A的IP地址到MAC地址的映射。
        • 可見。ARP高速緩存是非常的有用，如果不使用ARP高速緩存，那么任何一台主機只要進行一次通信，就必須要使用ARP協議廣播ARP請求分組，只會導致網絡上的通信量大大增加。ARP把已經得到的地址映射寫入高速緩存中，這樣該主機下次再和具有同樣目的主機進行通信的時候，可以直接從緩存中獲取到硬件地址。
      • ARP對保存在緩存中的每一個地址映射項都設立了一個生存周期（TTL），凡是超過TTL項都會被從高速緩存中清除掉，，然后會重新廣播獲取最新的IP地址與MAC地址映射記錄。

   3. ARP協議解決的是同一個局域網內的主機或者路由器IP地址和硬件地址之間的映射關系。如果要找的目標主機和源主機不在同一個網段內，就無法解析出另一個局域網上主機的MAC地址。

   4. ARP的四種經典情況

   

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   1. 發送方是主機（H1），要把IP數據報發送到同一個網絡的另一台主機（H2），這時候H1發送一個ARP請求分組報文找到目的主機H2的MAC地址.
   2. 發送主機是（H2），要把IP數據報發送到另一個網絡上的主機（H3/H4），這時(H1)發送一個ARP請求分組在局域網1內廣播，找到局域網1 的路由器R1的MAC地址，剩下的工作交給路由器R1來完成。R1要做的是3和4.
   3. 發送方是路由器(R1),要把數據報發送給與R1連接在同一個網絡上的主機（H3），這時候路由器R1會發送一個ARP請求分組在局域網2內廣播，找到主機（H3）的MAC地址。
   4. 發送方是路由器R1,要把IP數據包報轉發到網絡3上的一台主機,如（H4），由於H4主機與R1路由器不是在同一個網段內，這時候路由器R1會發送一個ARP請求分組給路由器R2，剩下的步驟和3類似。

IP數據報的格式

1. IP數據報的格式
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   • IP數據報長度為4個字節，也就是32位
   • IP數據報是由報首和數據兩部分組成。
     • 首部包括20個字節的固定長度和可選字段
       • （1:）版本占4位。指的是IP協議的版本。通信雙方必須要使用相同的IP協議版本。目前廣泛使用的是IP協議版本是IPV4和和IPV6
       • （2:)首部長度占用4位，可以表示最大的1111（15）
       • （3:）區分服務占用8位，用來獲取更好的服務，這個字段只有在使用區分服務的時候才起作用。
       • （4:）總長度占用16位，指的是首部和數據之和的長度。單位為字節，總長度字段為16位，因此數據報的長度為(2^16)-1=65535字節，但在現實生活中確實很少遇到。
   • 在網絡層的下面數據鏈路層，規定了一個數據幀中的數據字段最大傳送單元MTU，當一個IP數據報文封裝成鏈路層的幀的時候，此數據報的長度，一定不能超過數據鏈路成所規定的MTU值。最常用的以太網規定其MTU最大值為1500字節。如果傳輸的數據報長度超過數據鏈路層的MTU值，就必須把過長的數據報進行分片處理。
   • 雖然使用盡可能長的IP數據報會使得傳輸效率更高一些（因為內一個IP數據報中首部長度占數據報總長度的比例小一些），但數據報短些也有好處。每一個IP數據報越短，路由器轉發的速度越快。為此，IP協議規定，在互聯網中所有的主機和路由器，必須能夠接受長度不能超過576字節的數據報，這是假定上層交下來的數據長度有512字節（合理的長度），加上最長部分的IP數據報首部60字節再加上4個字節的富余量，就得到了576字節。當主機需要發送576字節的數據報的時候。應當需要先詢問目標主機能否接受所要發送的數據報長度，否則，就要進行分片。
     • （5:）標識占16位，IP軟件在存儲器中維持一個計數器，每產生一個數據報，計數器就+1 ，但是這個並不是序號，因為IP是無連接服務,數據報不存在按序接收的問題，當數據報由於長度超過網絡的MTU而必須分片的時候，這個標識的字段的值就會被復制到所有的數據報片的標識字段中，相同標識字段的值使得分片后最后能夠正確的重裝為原來的數據報。
     • （6:）標志（Flag）占3位，只有兩位有意義
       • 最低位MF(more fragment)：當MF=1時候表示后面還有分片，當MF=0表示這已經是最后一個數據報片。
       • 中間位DF(don't fragment)意思之不能再分片，只有當DF=0才允許分片。
     • （7:）片偏移：占13位，較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對位置，也就是說，相對與用戶數據字段的起點，該片從何時開始。片偏移以8個字節為便宜單位，也就是說：每個分片的長度一定是8字節的整數倍。
     • （8:）生存周期TTL：占8位，表明這是數據報在網絡中的壽命，稱之為跳數限制。目的就是為了防止在路由器之間無限轉圈導致白白耗費網絡資源。每經過一個路由器，TTL就-1，當TTL=0,路由器就會丟掉這個IP數據報，一般TTL默認為16。
     • （9:）協議，占8位，協議字段指的是此數據報所攜帶的數據是使用的何種協議，以便於目的主機的IP層知道應將數據部分上交給哪一個協議來處理。
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     • （10:）首部校驗和：占16位，這個字段只檢驗數據報的首部，不包括數據本身部分，這是因為數據報每經過一次路由器，路由器都會重新計算生存周期，標志，偏移量等等，不檢驗數據部分可以減少路由器的工作量。除此之外，為了減少校驗工作量，IP數據報的首部校驗和並不會使用CRC檢驗碼，而是采用從下面簡單的校驗方式：
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       • （1）在發送方，先把IP數據報首部划分為許多16位子的序列，並把檢驗和字段設置為0，用反碼算數（）把所有16位字相加后，將得到的和的反碼寫入檢驗校驗和中，接收方收到數據報之后，把首部的所有16位字在使用反碼算相加一次，將得到的和取反碼，即得到接收端檢驗和的計算結果。若首部未發生變化，則檢驗和必然為0，於是就保留這個數據報，否則認為出錯，就直接丟棄。
     • （11:）源地址 占32位
     • （12:）目的地址 占32位
   • 以上就是IP數據報不可變組成部分。