Связь между ip и Ethernet-адресами
В сетях Ethernet широко используется протокол сетевого уровня IP. Для того, чтобы преобразовывать адреса сетевого протокола IP в адреса канального уровня, в 1982 году был создан протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол разрешения адресов).
ARP — использующийся в компьютерных сетях протокол низкого уровня, предназначенный для определения адреса канального уровня по известному адресу сетевого уровня. Наибольшее распространение этот протокол получил благодаря повсеместности сетей IP, построенных поверх Ethernet, поскольку практически в 100 % случаев при таком сочетании используется ARP. Описание протокола было опубликовано в ноябре 1982 года в RFC 826. ARP был спроектирован для случая передачи IP-пакетов через сегмент Ethernet. При этом общий принцип, предложенный для ARP, может, и был использован и для сетей других типов.
Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.
Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства, обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий: …» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю. Ниже приведён пример запроса и ответа ARP. <см. внизу страницы>
Записи в кэше ARP могут быть статическими и динамическими. Пример, данный выше, описывает динамическую запись кэша. Можно также создавать статические записи в таблице ARP. Записи в таблице ARP, созданные динамически, остаются в кэше в течение 2-х минут. Если в течение этих двух минут произошла повторная передача данных по этому адресу, то время хранения записи в кэше продлевается ещё на 2 минуты. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока запись в кэше просуществует до 10 минут. После этого запись будет принудительно удалена из кэша, и будет отправлен повторный запрос ARP.
ARP изначально был разработан не только для IP протокола, но в настоящее время в основном используется для сопоставления IP- и MAC-адресов.
ARP также можно использовать для разрешения MAC-адресов для различных адресов протоколов 3-го уровня (Layer 3 protocols addresses). ARP был адаптирован также для разрешения других видов адресов 2-го уровня (Layer 2 addresses); например, ATMARP используется для разрешения ATM NSAP адресов в Classical IP over ATM протоколе.
Существует также обратный протокол. Inverse Address Resolution Protocol, Inverse ARP или InARP — протокол для получения адресов сетевого уровня (например IP адресов) других рабочих станций по их адресам канального уровня (например, DLCI в Frame Relay сетях). В основном используется во Frame Relay и ATM сетях. InARP реализовано как расширение ARP. Форматы пакетов этих протоколов одни и те же, различаются лишь коды операций и заполняемые поля. Reverse ARP (RARP), как и InARP, переводит адреса канального уровня в адреса сетевого уровня. Но RARP используется для получения логических адресов самих станций отправителей, в то время как в InARP-протоколе отправитель знает свои адреса и запрашивает логический адрес другой станции. От RARP отказались в пользу BOOTP, который был в свою очередь заменён протоколом DHCP.
Схема работы протокола ARP следующая:
Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.
Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным.
В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес.
Преобразование адресов выполняется путем поиска в таблице. Эта таблица, называемая ARP-таблицей, хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом. Ниже приведен пример ARP-таблицы.
broadband-46-188-16-5.2kom.ru (46.188.16.5) at 14:da:e9:fa:14:d9 on rl0 [ethernet]
? (192.168.0.45) at 00:0e:7f:32:9b:e1 on rl1 [ethernet]
? (192.168.0.49) at 68:a3:c4:50:5c:9c on rl1 [ethernet]
? (192.168.0.59) at e8:39:df:9e:0e:c7 on rl1 [ethernet]
? (192.168.0.61) at 94:00:70:87:5e:c1 on rl1 [ethernet]
Ниже проиллюстрирована структура пакета, используемого в запросах и ответах ARP. В сетях Ethernet в этих пакетах используется EtherType 0x0806, и рассылаются широковещательно MAC-адрес — FF:FF:FF:FF:FF:FF. Отметим, что в структуре пакета, показанной ниже в качестве SHA, SPA, THA, & TPA условно используются 32-битные слова — реальная длина определяется физическим устройством и протоколом.
Рисунок
6: Структура ARP-пакета
Hardware type (HTYPE): код транспортного протокола. Например, Ethernet имеет код 0x0001.
Protocol type (PTYPE): код протокола. Например, для IPv4 будет записано 0x0800.
Hardware length (HLEN): длина физического адреса в байтах. Ethernet адреса имеют длину 6 байт.
Protocol length (PLEN): длина логического адреса в байтах. IPv4 адреса имеют длину 4 байта.
Operation: код операции отправителя: 1 в случае запроса и 2 в случае ответа.
Sender hardware address (SHA): аппаратный адрес отправителя.
Sender protocol address (SPA): логический адрес отправителя.
Target hardware address (THA): аппаратный адрес получателя. Поле пусто при ARP-запросе.
Target protocol address (TPA): логический адрес получателя.