計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARP協(xié)議的解析與仿真實(shí)現(xiàn)

張　興，周　軍，史　偉，杜　穎

(遼寧工業(yè)大學(xué)　電子與信息工程學(xué)院，遼寧　錦州　121001)

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計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARP協(xié)議的解析與仿真實(shí)現(xiàn)

張興，周軍，史偉，杜穎

(遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州121001)

在運(yùn)用虛擬機(jī)技術(shù)模擬由路由器、交換機(jī)和多臺(tái)計(jì)算機(jī)共同組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了僅用一臺(tái)普通PC機(jī)搭建ARP原理模擬機(jī)的目標(biāo)。通過(guò)ARP原理模擬機(jī)解決了IP地址沖突等常見(jiàn)問(wèn)題。總結(jié)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序間通訊所要遵循的基本原則，并將ARP原理模擬機(jī)進(jìn)一步推廣到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)參考模型的其他層次當(dāng)中。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；ARP協(xié)議；模擬機(jī)；虛擬機(jī)；網(wǎng)絡(luò)參考模型

地址解析協(xié)議(addressresolutionprotocol，ARP)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的協(xié)議之一，處于OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，且處于IP協(xié)議之下，如圖1所示[1-2]；因此，ARP包并不像ICMP包那樣要封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中，而是介于IP數(shù)據(jù)報(bào)和數(shù)據(jù)鏈路幀之間，起到承上啟下的作用。眾所周知，數(shù)據(jù)鏈路層使用物理地址通訊，網(wǎng)絡(luò)層要靠網(wǎng)絡(luò)層地址通訊，而我們往往只知道目的IP地址，這就需要ARP協(xié)議將IP地址轉(zhuǎn)換成本網(wǎng)絡(luò)所使用的物理地址后，雙方才能完成底層數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收[3-5]。

ARP在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的地位舉足輕重，在路由器與路由器之間、路由器與主機(jī)之間無(wú)不采用物理地址進(jìn)行通訊；因此，弄清ARP原理，并利用其解決實(shí)際問(wèn)題是非常必要的[6-8]。但當(dāng)前的大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程對(duì)ARP原理的驗(yàn)證重視不夠，采用的實(shí)驗(yàn)方法復(fù)雜，所需的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以搭建[9-10]。本文通過(guò)采用一臺(tái)普通的PC機(jī)及相關(guān)軟件完成了ARP原理模擬機(jī)的搭建，以低成本、易操作性滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。通過(guò)搭建ARP原理模擬機(jī)，學(xué)生在宿舍就可以完成ARP原理的驗(yàn)證，并且還能解決一些實(shí)際問(wèn)題。

圖1　ARP協(xié)議的位置

1　搭建ARP原理模擬機(jī)

ARP原理模擬機(jī)的搭建是非常容易的。首先，選擇一臺(tái)普通的PC機(jī)，內(nèi)存最好在512M以上。操作系統(tǒng)可選擇WindowsServer的一個(gè)版本，并在操作系統(tǒng)上安裝虛擬機(jī)軟件(本文使用的是VMware)。然后，利用虛擬機(jī)軟件安裝或克隆多個(gè)虛擬機(jī)，從而由宿主機(jī)和虛擬機(jī)構(gòu)成了ARP原理模擬機(jī)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。虛擬機(jī)的網(wǎng)卡連接方式可選擇“Bridged”或“Host-only”，橋接時(shí)一個(gè)網(wǎng)卡要綁定雙IP，但在宿主機(jī)網(wǎng)卡未聯(lián)網(wǎng)線(xiàn)時(shí)，只能選擇“Host-only”方式。在采用“Host-only”方式時(shí)，如果同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)虛擬機(jī)，且這兩個(gè)虛擬機(jī)的IP屬于不同網(wǎng)段，則虛擬機(jī)網(wǎng)卡的連接方式應(yīng)選擇“Custom：Specificvirtualnetwork”，使兩個(gè)虛擬機(jī)上的網(wǎng)卡分別對(duì)應(yīng)宿主機(jī)上不同的“Host-only”網(wǎng)卡。最后，分別在宿主機(jī)和虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)自帶的Microsoft“網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器”，啟動(dòng)后選擇本地網(wǎng)卡捕獲數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析。

圖2　ARP原理模擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2　利用ARP原理模擬機(jī)驗(yàn)證ARP原理

在ARP原理模擬機(jī)搭建起來(lái)后，我們要用其驗(yàn)證ARP原理。首先，分別用ipconfig/all命令檢查兩機(jī)的IP地址、MAC地址和網(wǎng)關(guān)的綁定是否正確；然后在兩機(jī)上分別執(zhí)行arp-a命令，結(jié)果顯示“NoARPEntriesFound”，證明此時(shí)兩機(jī)的ARP緩存是空的。在虛擬機(jī)1上ping宿主機(jī)，結(jié)果顯示“Replyfrom192.168.0.1：bytes=32time<1msTTL=128”，證明已經(jīng)ping通；再執(zhí)行arp-a命令，結(jié)果如表1所示。

表1　虛擬機(jī)1上ARP緩存狀況

虛擬機(jī)1已經(jīng)得到宿主機(jī)的IP地址與MAC地址的映射。通過(guò)查看兩機(jī)的Microsoft網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器捕獲的數(shù)據(jù)包的順序(如表2所示)，發(fā)現(xiàn)ARP包在前，ICMP包在后，說(shuō)明在同一網(wǎng)絡(luò)中只有在獲悉對(duì)方的物理地址后才能進(jìn)行通信。

表2中目標(biāo)MAC地址為*BROADCAST，說(shuō)明ARP請(qǐng)求包是以廣播方式發(fā)送的，本網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)都會(huì)接收到；而表2中的第2行說(shuō)明只有其IP與ARP請(qǐng)求包中的目的IP相同的主機(jī)才發(fā)送響應(yīng)包，而且ARP的響應(yīng)包是以單播方式發(fā)送的，響應(yīng)時(shí)直接將ARP請(qǐng)求包中的源主機(jī)的MAC地址轉(zhuǎn)變?yōu)锳RP響應(yīng)包的目的地址。

表2　宿主機(jī)上捕獲的數(shù)據(jù)包情況

幾分鐘后，再在兩機(jī)上分別執(zhí)行arp-a命令，前面的映射從ARP緩存中消失，說(shuō)明ARP為其緩存中每一項(xiàng)映射設(shè)置了計(jì)時(shí)器。設(shè)置的目的，主要是考慮用戶(hù)IP或MAC地址可以靈活地變化；另外，從捕獲的數(shù)據(jù)包情況分析，ARP請(qǐng)求包并非定期發(fā)送，而是按需發(fā)送；而一個(gè)ARP包只解析一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，這樣有利于簡(jiǎn)化ARP包的格式。

從ICMPEchoReplyPacket中可以看出ICMP包作為IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)存在，而IP數(shù)據(jù)包又作為Ethernet幀的數(shù)據(jù)存在。Microsoft網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器使用摘要窗格、細(xì)節(jié)窗格和十六進(jìn)制窗格，按照從參考模型的低層到高層的順序，把各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocoldataunit，PDU)的格式表現(xiàn)得淋漓盡致。因此，將這種方法擴(kuò)展到整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，就可以解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)大部分協(xié)議的原理和PDU的格式問(wèn)題，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)抽象理論的理解變得形象化、具體化。

3　利用ARP原理模擬機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題

在驗(yàn)證了ARP原理后，我們使用ARP原理模擬機(jī)來(lái)解決一些常見(jiàn)的實(shí)際問(wèn)題。

1)當(dāng)接收到一個(gè)ARP請(qǐng)求包(廣播包)時(shí)，是只有與目的IP地址相同的主機(jī)還是所有接收到此ARP請(qǐng)求包的主機(jī)，將源主機(jī)的IP地址與物理地址的映射保存在本機(jī)的ARP緩存中？

2)在跨網(wǎng)段通信時(shí)，當(dāng)另一網(wǎng)段的主機(jī)未開(kāi)機(jī)(也許不存在)或目的網(wǎng)絡(luò)不存在時(shí)，ARP緩存的結(jié)果如何？

3)IP地址沖突的原因是什么？與ARP有關(guān)嗎？

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，操作的時(shí)候我們需要打開(kāi)虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)2，并使用ipconfig/all命令檢查地址的綁定情況；然后在各機(jī)上執(zhí)行arp-a命令，確保結(jié)果均是“NoARPEntriesFound”，即保證ARP緩存為空。在虛擬機(jī)1上ping宿主機(jī)，結(jié)果顯示ping通；再在各機(jī)上執(zhí)行arp-a命令，結(jié)果顯示虛擬機(jī)1上有宿主機(jī)的IP與MAC的映射，宿主機(jī)上也有虛擬機(jī)1的IP與MAC的映射，而虛擬機(jī)2的ARP緩存仍為空。查看虛擬機(jī)2上捕獲的數(shù)據(jù)包情況，發(fā)現(xiàn)的確收到了虛擬機(jī)1的ARP請(qǐng)求包。因此問(wèn)題1的結(jié)論是：當(dāng)收到一個(gè)ARP請(qǐng)求包時(shí)，只有與目的IP地址相同的主機(jī)將源主機(jī)的IP地址與物理地址映射保存在本機(jī)的ARP緩存中。這么做也是非常有道理的。即使其他主機(jī)在其緩存中保存此映射，此時(shí)也許他們不想與源主機(jī)通訊；而當(dāng)他們想與源主機(jī)通訊時(shí)，此映射又過(guò)期了。不保存的做法也節(jié)省了其他主機(jī)的資源。

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，操作的時(shí)候我們需要打開(kāi)虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)3，并在宿主機(jī)上啟動(dòng)“路由和遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)”，將宿主機(jī)設(shè)為“僅路由器”方式。重復(fù)解決第1個(gè)問(wèn)題時(shí)的操作，確保地址綁定正確，并且ARP緩存都為空。我們先驗(yàn)證正常情況下跨網(wǎng)段通信時(shí)ARP包的情況。在虛擬機(jī)1上ping虛擬機(jī)3，得到“Replyfrom192.168.1.2：bytes=32time<1msTTL=127”，證明已經(jīng)ping通，并且經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器后，IP包的TTL值減1。分別執(zhí)行arp-a命令后虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)3都得到了其網(wǎng)關(guān)的IP地址與MAC地址的映射。這里要注意，虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)3并不需要知曉對(duì)方的MAC地址，MAC地址只在同一網(wǎng)段有效。通過(guò)查看所捕獲的數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)首先由虛擬機(jī)1發(fā)送幀給路由器(此處為宿主機(jī))，然后由路由器將幀修改后發(fā)給虛擬機(jī)3。接下來(lái)，將虛擬機(jī)3關(guān)機(jī)。在虛擬機(jī)1上ping192.168.1.2，得到“Requesttimedout”。執(zhí)行arp-a命令后，發(fā)現(xiàn)在虛擬機(jī)1上已有其網(wǎng)關(guān)的IP地址與MAC地址的映射。在虛擬機(jī)1上隨便ping一個(gè)不存在的網(wǎng)絡(luò)中的IP，比如ping192.168.1.3，得到“Replyfrom192.168.0.1：Destinationhostunreachable”。通過(guò)arp-a命令也得到其網(wǎng)關(guān)的IP地址與MAC地址的映射。因此，第二個(gè)問(wèn)題的結(jié)論是：在跨網(wǎng)段通信時(shí)，當(dāng)另一網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)未開(kāi)機(jī)(或不存在)或目的網(wǎng)絡(luò)不存在時(shí)，ARP的緩存均會(huì)保存其網(wǎng)關(guān)的IP地址與MAC地址的映射。

根據(jù)前兩個(gè)問(wèn)題的分析，我們得出結(jié)論：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用程序(進(jìn)程)之間的通信要遵循一定的原則。

1)若通信時(shí)的目的地址為域名，則先通過(guò)DNS將域名解析成IP地址。

2)通過(guò)將本機(jī)IP、目的IP分別與本機(jī)MASK作按位與運(yùn)算來(lái)檢測(cè)源目主機(jī)是否在同一網(wǎng)絡(luò)。若結(jié)果(網(wǎng)絡(luò)地址)相同，則證明兩主機(jī)屬于同一網(wǎng)絡(luò)，采用直接交付；否則，將IP包交給本網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)(路由器)，屬于間接交付。

3)在交付時(shí)，首先查看本機(jī)ARP緩存是否存在目的IP(間接交付時(shí)為網(wǎng)關(guān)IP)與目的物理地址的映射，存在則直接封裝成幀發(fā)送，否則利用ARP協(xié)議廣播其請(qǐng)求包獲取映射。

根據(jù)此原則，在第一個(gè)問(wèn)題中虛擬機(jī)1將幀直接交付給了虛擬機(jī)2，而在第二個(gè)問(wèn)題中虛擬機(jī)1采用的是間接交付，先將幀交付給它的網(wǎng)關(guān)，然后由它的網(wǎng)關(guān)查詢(xún)路由表后，將IP包重新封裝成幀交付到目的地。因此，即使IP包未成功交付給目的地，源主機(jī)也會(huì)得到其網(wǎng)關(guān)的IP地址與MAC地址的映射。

對(duì)于第三個(gè)問(wèn)題，操作的時(shí)候我們需要打開(kāi)虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)2。利用ipconfig和arp命令確保地址綁定正確且ARP緩存為空。修改虛擬機(jī)1的IP地址，讓它與宿主機(jī)的IP相同；點(diǎn)擊“確定”后，虛擬機(jī)1的網(wǎng)絡(luò)連通圖標(biāo)帶上一個(gè)紅色問(wèn)號(hào)，并提示“剛配置的靜態(tài)IP地址已在網(wǎng)絡(luò)上使用。請(qǐng)重新配置一個(gè)不同的IP地址。”用ipconfig命令檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)虛擬機(jī)1的IP與MASK均變成無(wú)效的地址0.0.0.0；同時(shí)在宿主機(jī)上出現(xiàn)提示“Windows- 系統(tǒng)錯(cuò)誤。IP地址與網(wǎng)絡(luò)上的其他系統(tǒng)有

沖突?！庇胕pconfig命令檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)宿主機(jī)IP地址未改變，使用時(shí)功能正常。查看宿主機(jī)、虛擬機(jī)1和虛擬機(jī)2上捕獲的數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)虛擬機(jī)1在修改IP地址成功前，為避免IP地址沖突要宣布其IP地址，方法就是廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求包，詢(xún)問(wèn)是否有使用此IP地址的主機(jī)。如果接收到ARP響應(yīng)包，則說(shuō)明網(wǎng)上已有此IP地址，發(fā)生了IP地址沖突，應(yīng)更換另一IP地址使用，如圖3所示；如果沒(méi)收到ARP響應(yīng)包，則在連續(xù)發(fā)送3個(gè)ARP請(qǐng)求包后，成功修改了自己的IP地址，如圖4所示。因此IP地址沖突的根本原因就是一個(gè)IP地址不能對(duì)應(yīng)兩個(gè)MAC地址，否則無(wú)法保證目標(biāo)的唯一性。

圖3　IP地址沖突

圖4　IP地址宣布成功

4　結(jié)束語(yǔ)

本文完成了僅用一臺(tái)普通的PC機(jī)搭建ARP原理模擬機(jī)的任務(wù)，而且實(shí)施過(guò)程中所用到的硬件、軟件都非常容易得到，搭建、應(yīng)用等操作也非常容易掌握，這對(duì)于普通學(xué)生、工程技術(shù)人員和所有對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)感興趣的人理解ARP原理，并應(yīng)用ARP原理解決實(shí)際問(wèn)題幫助很大；另外，我們?cè)贏RP原理模擬機(jī)中使用了虛擬機(jī)技術(shù)，當(dāng)宿主機(jī)與外界斷開(kāi)聯(lián)系時(shí)，各虛擬機(jī)捕獲數(shù)據(jù)幀時(shí)不會(huì)受到其他廣播幀的干擾，易于我們分析結(jié)果。通過(guò)操作系統(tǒng)自帶的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器捕獲數(shù)據(jù)包后，按TCP/IP參考模型自底向上的順序進(jìn)行分析，我們獲得了模型中各層的PDU的格式，從而熟悉了各層的功能。我們可以將ARP原理模擬機(jī)推廣到整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，依照本文所使用的方法能幫助大家理解所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議原理，應(yīng)該說(shuō)它的應(yīng)用前景是非常廣泛的。

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Principle Analysis and Simulation Realization of ARP Protocol in Computer Network

ZHANG Xing，ZHOU Jun，SHI Wei，DU Ying

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering，LiaoningUniversityofTechnology，Jinzhou121001，China)

ThispaperrealizesthegoalthatbuildstheARPprinciplesimulatorwithonlyoneordinaryPCbasedonusingvirtualmachinetechnologytosimulatethecomplexnetworkcomposedofrouters，switches，andmanycomputers.ThroughtheARPprinciplesimulator，wecansolvemanyfactualissuessuchasIPaddresscollisionetc.ThispapersummarizesbasicrulessubjecttowhichnetworkapplicationscommunicateandextendstheARPprinciplesimulatorthroughtothewholeTCP/IPreferencemodelfurther.

computernetworkcourseconstruction；ARPprotocol；simulator；virtualmachine；networkreferencemodel

2015-02-03；修改日期: 2016-05-20

遼寧省普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(UPRP20140214，2016-291)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2014066)。

張興(1975-)，男，博士，副教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工程的研究。

TP393

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.018