1、第15章 协议地址绑定,本章学习要求,理解：各种地址解析技术 理解：地址解析协议（ARP）,1. 协议地址和包传送,当应用程序利用包在网络上传送数据时使用的是目的地的IP地址。 协议地址（IP地址）是由软件提供的抽象地址；物理网络硬件并不知道如何通过协议地址来定位一台计算机。 解决方案：在传送包之前，下一跳的协议地址必须先被转换成一个相应的硬件地址。,2. 地址解析,IP地址是只在软件中使用的抽象地址。不论是局域网还是广域网，发送和接收数据时都依靠的是硬件地址。所以协议软件发送数据包之前，必须把IP地址翻译成对应的物理地址，这个过程称为地址解析（address resolution）。,2.
2、地址解析,地址解析是一个网络内的局部过程，即一台计算机能够解析另一台计算机地址的充要条件是两台计算机都连在同一物理网络中一台计算机无法解析远程网络上的计算机的地址。,2. 地址解析,地址解析要考虑两种情况： 在数据传输的最后一步，要把IP目的地址翻译成目的计算机的物理地址； 在到达最后目的网络之前，要把IP目的地址翻译成路由器的物理地址。,3. 地址解析技术,在将协议地址转换成硬件地址时，所采用的技术依赖于协议和硬件的编址方案。 地址协议技术（算法）可分为： 查表 相近形式计算 报文交换法,3.1 查表法地址解析,查表法地址解析技术要求每一个物理网络都保存本地网络中计算机IP地址与物理地址的对
3、应表。通过查表实现地址解析。,3.1 查表法地址解析,优点： 通用。一张表能存储网络的任意一个计算机集合的地址绑定，一个协议地址能映射到任意一个硬件地址。 易于理解，便于编程实现。 应用： 对于一个主机数少于12的网络，采用顺序搜索。 对于大型网络，采用散列或直接索引。,3.2 相近形式技术地址解析,对于硬件地址可配置的网络，通常采用计算的方法实行计算机IP地址与物理地址的转换。 例：设一个C类网络的IP地址为197.15.3.0，其中十台主机的IP地址分别为197.15.3.1197.15.3.10，那么它们的物理地址可以被设置为10，IP地址与物理地址的对应关系为,物理地址 IP地址 &
4、0xff,3.2 相近形式技术地址解析,优点：程序的计算量小，无需维护任何表，计算的效率高。 局限：仅适用于硬件地址可配置的网络。,3.3 报文交换法地址解析,集中式计算：计算所需的指令和数据保存在计算机的操作系统中。例如：查表法、相近形式计算。 分布式计算：当某台计算机需要解析一个IP地址时，会通过网络发送一个请求报文，之后会收到一个应答。发送出去的报文包含了对指定IP地址进行解析的请求，应答报文包含了对应的硬件地址。例如：报文交换法。,3.3 报文交换法地址解析,报文交换是一种分布式的地址解析技术。 实现方案： 地址解析请求发送到专门负责地址解析的服务器上，由该服务器应答； 地址解析请求通
5、过广播技术发送到本地网络上的每一台计算机，由相关的计算机进行应答。,3.3 报文交换法地址解析,两种方案的优缺点： 第一种方案在于采用集中式解释方法，使得地址解析在配置、控制和管理上比较容易；缺点是需要专门的地址解析服务器，网络发生变化时需要更新服务器中的地址绑定信息，易成为大而繁忙网络的性能瓶颈。 第二种方案采用分布式计算，费用低，避免方案一中各种弊端的发生。,3.4 总结,在TCP/IP中，可以适用三种地址解析方案中的任何一种。 查表法通常用于WAN，相近形式计算常用于可配置的网络，报文交换常用于静态编址的LAN。,4. 地址解析协议,一个网络所使用的物理地址依赖于网络底层硬件所使用的编址
6、方案，为使所有计算机在地址解析报文的精确格式和含义上达成一致，TCP/IP协议系列应包含一个地址解析协议ARP。,4.1 ARP报文传递,协议规定： 一个ARP请求报文被放入一个硬件帧后，广播给网上的所有计算机，每台计算机收到请求后都会检测其中的IP地址，与IP地址匹配的计算机发送一个应答，而其他的计算机则会丢弃收到的请求，不发送任何应答。 当一台计算机发送一个ARP应答时，这个应答报文并不是向全网广播的，而是被放进一个帧中直接发回给请求者。,4.1 ARP报文传递,4.2 ARP报文格式,ARP标准描述了ARP报文的通用形式，并规定了确定网络硬件的细节。 尽管ARP报文格式允许任意的协议地址
7、和硬件地址，但ARP几乎总是用于绑定32位的IP地址和48位的以太网地址。,4.2 ARP报文格式,4.3 发送一个ARP报文,ARP报文采用嵌入硬件帧的方式进行发送，称之为封装。,4.4 识别ARP帧,帧头部的类型字段指定帧中是否含有ARP报文。发送方在传送前必须为此字段指定相应的值，接收方必须检测每个输入帧中的类型字段。,4.4 识别ARP帧,由于以太网只为ARP指定了一个类型，故一个包含ARP请求报文的以太网帧一个包含ARP应答报文的以太网帧的类型值是相同的。 帧类型并不区分ARP报文本身的多种类型接收方必须检测报文中的操作字段以确定其是一个请求还是一个应答。,4.5 缓存ARP应答,尽
8、管报文交换可以用于绑定地址，但为每一个绑定发送一个报文的方法效率很低，每次ARP传输要在网上传三个包。 为了减少为了通信量，ARP软件应能提取并保存应答中的信息，以便于以后的包传输。,4.5 缓存ARP应答,解决方案：ARP在内存中维护一个小的绑定表，并将其作为高速缓存来管理。 实现过程：当ARP要执行地址绑定时，先在高速缓存中搜索：如果需要的绑定已在其中，ARP就无须再传送一个请求；如果所需绑定不在其中，ARP才广播一个请求，等待应答，并更新高速缓存。,4.6 处理接收到的ARP报文,当一个ARP报文到达时，协议规定接收方必须执行两个基本操作： 第一步，接收方把报文中发送方的IP地址和硬件地
9、址取出，如果已经缓存了它们的对应关系，就替换原来的记录，否则不予记录。,4.6 处理接收到的ARP报文,第二步，接收方首先把报文中的目的IP地址和自己的IP地址进行比较，当二者不一致时放弃报文。否则，根据报文中的操作类型来确定该报文是请求报文还是应答报文。如果是请求报文，则把自己的硬件地址放入报文中，并把目的地址和发送地址调换，发送应答。如果是应答报文，则记录下发送方硬件地址和IP地址的对应关系。,4.6 处理接收到的ARP报文,ARP引入的优化策略：在一台计算机应答了一个ARP请求之后，此计算机将会把报文中的发送方的地址绑定加入自己的高速缓存中，以便以后加以利用。 优化策略基于两个事实： 大多数计算机通信涉及往返的通信量 一台计算机不可能存储任意数量的地址绑定,5. 分层、地址协议、协议地址,TCP/IP的分层模型中，最低一层对应于物理网络硬件，上面一层对应于收发包的网络接口软件，地址解析就是与网络接口层有关的一个功能。 地址解析软件隐藏了物理寻址的细节，允许高层软件使用协议地址，应用程序和高层软件都是建立在协议地址之上。,5. 分层、地址协议、协议地址,
