IP基本原理3-H3C认证网络工程师(H3CNE)

Posted 2022-02-24 mb5cbe9df5136d6

​一、ARP协议​

​ARP​（Address Resolution Protocol，地址解析协议）就是用于动态地​将IP 地址解析为MAC 地址的协议​。

IP 地址将物理地址对上层隐藏起来，使Internet 表现出统一的地址格式。但在实际通讯时，IP 地址不能被物理网络所识别，物理网络所使用的依然是物理地址。因此，必须实现IP 地址对物理地址的映射。对于以太网而言，当IP 数据包通过以太网发送时，以太网链路并不识别32 位的IP 地址，它们是以48 位的MAC 地址标识以太网节点的。因此，必须在IP 地址与MAC 地址之间建立映射（map）关系，建立这种映射的过程称为地址解析（Resolution）。​ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）就是用于动态地将IP地址解析为MAC地址的协议。主机通过ARP解析到目的MAC地址后，将在自己的ARP缓存表中增加相应的IP地址到MAC 地址的映射表项，用于后续到同一目的地报文的转发。​

假设 HostA 和HostB 在同一个网段，HostA要向HostB发送IP包，其地址解析过程如下：1)HostA首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有HostB的IP地址对应的ARP表项。如果找到了对应的表项，则HostA直接利用ARP表项中的 MAC地址对IP数据包封装成帧，并将帧发送给HostB。2)如果HostA在ARP表中找不到对应的表项，则暂时缓存该数据包，然后以广播方式发送一个ARP请求。ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端 MAC地址为HostA的IP地址和MAC地址，目标IP地址为HostB的 IP 地址 ，目标MAC地址为全0的MAC地址。3)由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可接收到该请求。HostB比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，两者相同 ，HostB将ARP请求报文中的发送端（即HostA）IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中，并以单播方式向HostA发送 ARP响应，其中包含了自己的 MAC地址。其他主机发现请求的IP地址并非自己，于是都不做应答。

4)HostA收到ARP响应报文后，将HostB的MAC地址加入到自己的ARP表中，同时将IP数据包用此 MAC地址为目的地址封装成帧并发送给HostB。

说明：这个过程IE面试经常问，需要理解掌握。

ARP表项分为动态ARP表项和静态ARP表项 ：

​动态ARP表项​由ARP协议动态解析获得，如果超过一个老化时间（ aging time）未被使用，则会自动删除。

​静态 ARP表项​通过管理员手工配置，不会被老化。静态 ARP表项的优先级高于动态ARP表项，可以将相应的动态ARP表项覆盖。

此外，还有一种特殊的ARP应用 —— 免费 ARP（Gratuitous ARP）。​免费 ARP​协议包中携带的发送者IP地址和目标IP地址都是本机地址，发送者 MAC地址是本机MAC地址，目标MAC地址是广播地址。对外发送免费ARP协议包可以实现以下功能：

确定其它设备的IP地址是否与本机地址冲突。

设备改变了硬件地址，通过发送免费ARP报文通知其他设备更新ARP表项。

​二、RARP协议​

​主机只知道自己的硬件地址时，可以通过RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议）解析自己的IP 地址​。RARP 常用于无盘工作站启动前获取自身IP 地址。

在刚刚启动时，无盘工作站只知道自己网卡的MAC 地址，需要获得自己的IP 地址，于是向网络中广播RARP 请求。RARP 服务器接收广播请求后发送应答报文，无盘工作站随即获得IP 地址。

RARP 服务器要响应请求，首先必须知道物理地址与IP 地址的对应关系。为此，在RARP服务器中维持着一个本网段的“物理地址－IP 地址”映射表。当某无盘工作站发出RARP 请求后，网上所有主机均收到该请求，但只有RARP 服务器处理请求并根据请求者物理地址响应请求。无盘工作站发出的RARP 请求中携带其物理地址，服务器根据此硬件地址查找其IP 地址。

由于服务器此时已经知道无盘工作站的物理地址，因此不再采用广播方式，而是直接向无盘工作站发送单播应答。

​对应于ARP、RARP 请求以广播方式发送，ARP、RARP 应答一般以单播方式发送，以节省网络资源​。

​三、代理RARP协议​

当主机不了解网关的信息，或主机无法判断目的是否处于本网段时，某些主机会对处于其他网段的目的主机IP 地址直接进行ARP 解析。此时，路由器可以运行代理ARP（Proxy ARP）协助主机实现通信。

如图所示，HostA 希望与HostC 通信，但由于某种原因，HostA 直接发送了ARP 请求，解析HostC 的MAC 地址。运行了代理ARP 的路由器收到ARP 请求后，代理HostA 在1.1.2.0网段发出ARP 请求，解析HostC 的MAC 地址。

HostC 认为路由器向其发出了ARP 请求，遂回应以ARP 响应，通告自己的MAC 地址00E0.FC03.3333。路由器收到ARP 响应后，也向HostA 发送ARP 响应，但通告的MAC 地址是其连接到1.1.1.0 网络的以太口E0/0 的MAC地址00E0.FC02.2222。这样在HostA 的ARP表中会形成IP 地址1.1.2.1 与MAC 地址00E0.FC02.2222 的映射项，因此HostA 实际上会将所有要发给HostC 的数据包发送到路由器上，再由路由器转发给HostC。

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说明：ARP协议华三IE面试经常问的，需要掌握。简单说：

（1）ARP：通过目的主机的IP地址，请求目的主机的MAC地址；

（2）RARP：已知本机的MAC地址，请求本机的IP地址；

（3）免费ARP：目的IP是其自身，目标mac地址是广播地址，确定此地址是否被其它设备占用。如：DHCP分配地址时会发送免费ARP来确定下发的地址是否被占用；

（4）代理ARP：主机之间通信通过一台代理设备做中介

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​四、IP包转发​

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​（1）主机单播IP 包发送​

​主机在发送IP 包之前，首先需判断目的主机所处的位置。主机对比自身IP 地址的网络地址与目的IP 地址的网络地址，如果二者相等，则可知目的主机与自己处于同一网段；如果二者不相等，则目的主机与自己处于不同网段。​

如果目的与本机处于同一网段，主机可以与其直接通信。此时主机首先解析目的主机IP 地址对应的硬件地址，随即将IP 包以此硬件地址为目的地址封装成帧，由直接连接此网段的接口发送给目的主机。

​如果目的与本机处于不同网段，则主机需将IP
包交给一台称为默认网关（default gateway）的路由器，由此路由器设法将IP 包转发给目的主机。此时主机根据默认网关的IP
地址解析出默认网关的硬件地址，随即将IP 包以此硬件地址为目的地址封装成帧，由直接连接此网段的接口发送给默认网关。​

​（2）路由器单播IP 包转发​

​路由器收到一个IP 包后，首先检测其目的地址。如果目的地址为本机，则接收此包并将其解封装，所得数据提交上层协议处理​。

如果此IP 包目的地址并非本机，而处于某个接口直连的网段，路由器可以与其直接通信。此时路由器首先解析目的主机IP 地址对应的硬件地址，随即将IP 包以此硬件地址为目的地址封装成帧，由直接连接此网段的接口发送给目的主机。

​如果目的与路由器处于不同网段，则路由器需将IP
包交给下一跳（next hop）路由器，由下一跳设法将IP 包转发给目的主机。此时主机根据路由表中的路由信息查出下一跳的IP
地址，解析出下一跳的硬件地址，随即将IP 包以此硬件地址为目的地址封装成帧，由直接连接此网段的接口发送给下一跳路由器​。

​（3）主机接收IP 包​

在收到网络接口层提交的IP 数据包时，主机首先检查这个包的目的地址是否等于自身IP地址。如果其目的地址符合下列情况之一，则主机接收此包，并将其数据提交相应的上层协议处理：

这个包的目的IP 地址等于自身IP 地址；

这个包的目的IP 地址是一个广播地址；

这个包的目的IP 地址是一个组播地址，而本机的某个服务正好属于此组播组。

如果此IP 包的目的地址不符合上述任何一种情况，则主机的网络层丢弃此IP 包。

​五、广播风暴​

路由器转发广播将导致全网充斥广播。很多协议需要通过广播包完成公告、发现等任务。

以ARP

为例，每台主机对网段内其他任何主机通讯时都需要广播ARP

请求。如果路由器转发广播包，每个广播包将传遍整个互联网，大大浪费了网络资源。并且由于广播包将会被提交到每一台主机的网络层进行处理，每一台主机的资源都会遭到无谓的浪费。这种情况发展到一定程度，整个网络会由于广播而瘫痪，这种情况称为广播风暴（Broadcast

Storm）。

​为了避免广播风暴的发生，路由器在默认情况下不转发广播包。​

​六、ICMP协议​

ICMP（Internet

Control Message Protocol，互联网控制消息协议）是一个网络层协议，基于IP 运行。ICMP

定义了错误报告和其它回送给源点的关于IP 数据包处理情况的消息，可以用于报告IP

数据包传递过程中发生的错误、失败等信息，提供网络诊断等功能。

ICMP

通常为IP 层或者更高层协议使用。其中ping 是一个最常见的应用，主机可通过它来测试网络的可达性。用户运行ping

命令时，主机向目的主机发送ICMP Echo Request 消息。Echo Request 消息封装在IP 包内，其目的地址为目的主机的IP

地址。目的主机收到Echo Request 消息后，向源主机回送一个ICMP Echo Reply 消息。源主机如果收到Echo Reply

消息，即可获知该目的主机是可达的。假定某个中间路由器没有到达目的网络的路由，便会向源主机端返回一条ICMP Destination

Unreachable 消息，告知源主机目的不可达。

ICMP

消息可分为两种类型，即ICMP 差错消息和ICMP 查询消息。对于ICMP 差错消息要作特殊处理，例如，在对ICMP

差错消息进行响应时，永远不会生成另一份ICMP

差错消息。（如果没有这个限制规则，可能会遇到一个差错产生另一个差错的情况，而差错再产生差错，这样会无休止地循环下去）。