PING用一生诠释了TCP/IP（2）-----ARP做了PING的接生婆

前面概述了PING跟TCP/IP的关系，简要阐述了PING的一生。我们知道了PING是利用ICMP的一求一答完成主机目的可达性探测的，那么在发送ICMP请求报文之前，源主机会查询ARP表项（arp -a）获取目的IP<---->目的MAC的映射，有了这个映射关系之后便可以在ICMP报文前封装IP报头，将查询到的目的IP和目的MAC填充在IP报头，便可以在网络上传输了，所以ARP表项的存在是PING能够启动的前提条件，所以在这里我形象的将ARP称为PING的接生婆。
下面我们来介绍一下ARP的工作原理：
ARP（地址解析协议）是用来完成已知目的IP地址解析得到目的MAC地址的，那么为什么必须要知道对端主机的MAC呢？原因就在于真正用于通信的地址是全球唯一的MAC地址，而IP其实是一种用来简化标识被创造出来的虚拟的地址。ARP协议通过向已知目的主机IP发送ARP请求，然后目的端回应填充了目的主机的MAC地址的ARP应答消息来获得目的Dest IP和Dest MAC的映射关系。




图１ 以太网封装的ＡＲＰ请求或应答分组格式
以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全1的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。
两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。
形容词hardware (硬件)和protocol (协议)用来描述ARP分组中的各个字段。例如，一个ARP请求分组询问协议地址（这里是IP地址）对应的硬件地址（这里是以太网地址）。
硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为1即表示以太网地址。协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为0x0800即表示IP地址。它的值与包含IP数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同，这是有意设计的。
接下来的两个1字节的字段，硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4。
操作字段指出四种操作类型，它们是ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）、RARP请求（值为3）和R ARP应答（值为4）。这个字段必需的，因为ARP请求和ARP应答的帧类型字段值是相同的。
接下来的四个字段是发送端的硬件地址（在本例中是以太网地址）、发送端的协议地址（IP地址）、目的端的硬件地址和目的端的协议地址。注意，这里有一些重复信息：在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。
对于一个ARP请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2，最后把它发送回去。
了解了以太网封装的ＡＲＰ分组格式之后我们以一个例子来详细说明ＡＲＰ的工作过程：
ＰＣ１－－－－－－ＳＷ－－－－－－ＰＣ２
２１１.１６１.１７.２５４ ２１１.１６１.１７.２１
00:D0:F8:0A:FB:83 00:E0:3C:43:0D:24
如上图所示从ＰＣ１发送ｐｉｎｇ ２１１.１６１.１７.２１命令，ＰＩＮＧ命令会发送ＩＣＭＰ请求，在发送ＩＣＭＰ请求之前会查询ＡＲＰ告诉缓存（ａｒｐ－ａ），
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C:\Documents and Settings\Administrator>arp -a
Interface: 192.168.1.16 --- 0x3
Internet Address Physical Address Type
192.168.1.2 00-21-27-5e-9f-54 dynamic
C:\Documents and Settings\Administrator>
ＡＲＰ告诉缓存ｃａｃｈｅ查询结果显示并没有找到目的主机ＰＣ２的ＩＰ地址的ＡＲＰ表项，所以ＰＣ１就会发送一个ＡＲＰ请求报文给ＰＣ２。发送的ａｒｐ请求分组的具体格式如下：



图２ 以太帧封装的ＡＲＰ请求报文
正如上图ＡＲＰ请求报文的格式，其中需要注意的是以太帧头目的ＭＡＣ为全Ｆ的广播地址，也就是说所有局域网内的主机都会收到该请求报文，帧类型十六进制的０Ｘ０８０６代表该帧封装了ＡＲＰ协议报文。操作类型ＯＰＴＩＯＮ字段１代表ａｒｐ请求，２代表应答信息。目的ＭＡＣ地址就是需要请求的地址，在请求报文中该字段填全０.如此以太帧封装的ＡＲＰ请求报文的就准备完成了然后交给物理层进行ｂｉｔ流处理后发送。
当交换机接收到ＡＲＰ请求报文后，会在交换机端口学习源主机ＩＰ与ＭＡＣ映射ＡＲＰ表，然后在ＶＬＡＮ内广播，这样请求报文就会从所有的交换机同ＶＬＡＮ端口广播出去，但是只有报文目的ＩＰ所对应的主机会接受处理该ＡＲＰ请求报文，其他的主机则直接丢弃。目的主机接受到后，就会向源主机回应一个ＡＲＰ应答报文，具体如下：



图３ 以太帧封装的ＡＲＰ应答报文
ＡＲＰ应答报文中以太帧报文用ｐｃ２自己的ＭＡＣ地址填充，操作字段ＯＰＴＩＯＮ字段为２，标识是ＡＲＰ应答报文，ＡＲＰ请求报文中的目的以太帧地址（全０）同样填充了ＰＣ２的ＭＡＣ地址，将源及目的ＩＰ地址对换后将应答报文发往ＰＣ１。
交换机收到ＡＲＰ应答报文后，在端口上学习ｍａｃ，生成ＰＣ２的ａｒｐ表项，然后按照目的ＩＰ（ＰＣ１的）查找对应的ＡＲＰ表项，查到后从对应的端口发送出去，ＰＣ１收到ＡＲＰ应答报文后生成对应的ＡＲＰ缓存表项。
如此一来ＰＣ１就学习到了目的主机ＰＣ２的ａｒｐ表项，这个时候ＰＩＮＧ所使用的ＩＣＭＰ请求报文便会根据学习到的ＡＲＰ表转发报文。ａｒｐ协议为ＰＩＮＧ准备好了所有需要使用的表项信息。这就是为什么我把ＡＲＰ亲切的称为ＰＩＮＧ的接生婆的原理。