ARP 协议 — 将IP地址映射成物理地址

分组带上发送者和接收者地址
在帧的首部填上物理地址

问题描述，A和B进行通信
A —- B
Ia —- Ib
Pa —- Pb

一般问题
1 源和目标在同一网段
2 源和目标由路由器相连（跨多个网络）

物理地址/硬件地址类型

IPv4 总空间32位，无法容纳一个MAC地址

在IPv4上的地址映射举例：
1 proNET => 接口卡上的开关可以拨动，只有8bit
	--> 直接地址映射
	例如，在IPv4/IPv6中可以直接映射实现
	配置方案：在IP地址的主机号部分进行一一对应
	
2 Ethernet => 48位物理地址，无法装载
	--> 动态绑定法：
	ARP协议：先向地址广播一个ARP请求，目标匹配自身IP地址响应ARP请求
		跨网发生在每一个子网内

	不直接广播IP地址方式的原因：
		1 广播不会跨网
		2 浪费资源
		ARP采用广播方式开销大

ARP Cache：改善ARP性能

先保存目标IP的物理地址，可以使得下一次不需要发起一次ARP请求
表项：
-> IP , MAC
-> TTY
维护：使用定时器（典型的生命期是20min，超时删去）

软状态：匿名（当信息发生改变/过时的时候，不会告知相关的节点）
缺点：延迟时间较长，例如在出现节点崩溃的情况需要等到节点不活跃时期（到生命期）

改进ARP：

被查询的机器若收到请求则添加到自己的Cache中，所有的本网的节点都收到ARP请求，发送者的地址信息则在本网站点中都更新
同时，机器在崩溃重启的时候向外发送一个ARP请求，此时原先的节点会对自己的表项做一个更新

关于地址映射：

1 ARP只是其中的一种方案，并非所有网络都需要此过程
2 ARP的解析属于底层技术，属于底层物理网络有关的部分

ARP 实现

ARP功能的分类

地址的映射
响应ARP请求

ARP过程中的一些分析

1 当用户发送一个报文的时候，需要对地址进行映射；
ARP使用cache技术，如果在cache中能够找到地址对，就直接使用；如果找不到，则发送ARP请求。（在发送ARP请求后可能得不到响应，1 请求丢失，2 目标主机处于关机状态）
2 发送分组后，在地址解析成功之前分组先被存储到缓冲队列当中（即一个应用还在运行的过程中），如果系统上同时有多个应用都需要解析这样的地址，底层ARP模块要确保不能产生多个这样的请求。
3 当ARP响应返回的时候
	3.1 需要对ARP Cache进行更新
	3.2 上层等待传输的分组得到地址解析结果后，从队列中移除
4 收到ARP请求后，进行响应
	4.1 从请求报文抽取发送方信息（发送方的IP地址和物理地址），更新本地Cache
	4.2 处理分组（响应/丢弃）

ARP的封装关系

1 2	封装在链路层帧的数据区中报文TYPE ： 0806H

ARP 报文格式

非定长格式
因为不同的物理网络报文的长度，格式不一样；网络层上的地址也有多种不同类型的地址，格式也可能不一样
在以太网中的报文格式

Sender HA 6字节（物理地址）
Sender IP 4字节（IP地址）
Target HA （目标物理地址）
Target IP （目标IP地址）

HARDWARE TYPE：以太网MAC地址，类型值为1
PROTOCOL TYPE：表示网络层的协议类型，以太网0x0800
OPERATION：报文类型
```
1 ：ARP请求
2 ：ARP响应
3 ：RARP请求
4 ：RARP响应
```

自动缓存再检验

Jitter 抖动现象

1
2
3

指连续传输的分组从一个站传输到另一个站，接受分组的延迟时间有变化
当传输延迟很大时，对某些应用（多媒体应用）造成很大影响
所以，需要避免这种抖动。

ARP造成的抖动：

1	cache表项中包含和cache表项中映射由于定时器超时失效；当失效时需要重新发起一次ARP请求需要额外的时间解析。

解决方法：early revalidation（早期再检验）

解决思路：
减少分组传输中的抖动：延迟时间的变化值
方案：
另外设置一个定时器（每个表项都设置一个）：
重新验证定时器，超时间隔比原先计时器小一些，如果响应还存在，则重新复位计时器

RARP | RARP -> BOOTP -> DHCP

已知物理地址，求对应的IP地址（是一个反向的地址映射）
	
针对无硬盘系统:
	本地的局域网安装一个RARP服务器，包含一个地址对的数据库，有管理员人工配置绑定表

以太网：	ARP  0x0806
                            RARP 0x8035

应用场景：虚拟机从一个IP迁移到另一个IP

ARP Cache 在3层交换机上的实现

目标：
减少ARP的流量
实现举例：
A向B发送一个ARP请求
交换机先收到A发的ARP请求，查询自己的Cache，若有B的物理地址则向A发送响应（相当于一个代理，一个节流的过程）

代理ARP

作用：
将一个IP网络映射到两个物理的网络地址（两个或多个不同的物理子网）
使用范围：
应用于使用ARP的网络环境中
分析：
运行代理ARP的路由采用了一种说谎的方式
1 利用了ARP协议之间的信任
2 需要在地址绑定表中插入，在安装的时候合法性与一致性都存在问题
3 具体实现上的安全问题，例如Spoofing欺骗
spoofing欺骗：
例如：三台机器A，B，C连在一个网络中，A和B通信，C是入侵者，C要截取A和B间的通信。C监听ARP请求，获取到A和B的IP地址和MAC地址，那么此时C可以向B发送ARP请求：IP地址是A的，MAC地址是C的；同样，发给A时IP地址是B，MAC地址是C的；（发送多次才能奏效）；此时，促使了A和B修改了它们的ARP表项。所以A和B中的通信都经过C。
不同的IP地址对应一个同一个物理地址
优点：加进一个单独的路由器不会影响网络中的其他节点
缺点：1只用于ARP地址解析的场景下 2不适用于复杂的网络 3不支持合理的路由表（受控管理的规模有限）

IPv6 邻居发现协议

1 IP地址是邻居发现协议（NDP）中的一项功能
2 在传输的时候封装在 ICMPv6中
3 一般在系统启动过程中执行NDP协议
4 一个节点需要周期性的连续的检测邻居的状态
5 使用多播
6 NDP使用solicited-node（被恳求节点）多播地址

参考资料：

INTERNETWORKING WITH TCP/IP PRINCIPLES, PROTOCOLS, AND ARCHITECTURE Vol1 (6th Edition). DOUGLASE E. COMER