【网络】网络层协议ARP和IP协议转发流程

一、IP概述

1.1 IP简介

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

1.2 IP协议

IP协议是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它使得连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以与因特网互连互通。IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同“帧”统一转换成“IP数据报”格式，这种转换是因特网的一个最重要的特点，使所有各种计算机都能在因特网上实现互通，即具有“开放性”的特点（百度百科）。

二、IP地址与硬件地址

在学习IP地址时，很重要的一点就是要弄懂主机的IP地址与硬件地址的区别

上图说明了这两种地址的区别。从层次的角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称IP地址为逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的）。

发送数据时，数据从高层下到低层，然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧了。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中。

连接在通信链路上的设备（主机或路由器）在收到MAC帧时，根据MAC帧首部中的硬件地址决定收下或丢弃。只有在剥去MAC帧的首部和尾部后把MAC层的数据上交给网络层后，网络层才能在IP数据报的首部中找到源IP地址和目的IP地址。总之，IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。在上图中，当IP数据报放入数据链路层的MAC帧中以后，整个的IP数据报就成为MAC帧的数据，因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。

如下图是三个局域网用两个路由器R1和R2互连起来。现在主机H1要和主机H2通信。这两台主机的IP地址分别是IP1和IP2，而它们的硬件地址分别为HA1和HA2（HA表示Hardware Address）。通信的路径是：H1→经过R1转发→再经过R2转发→H2。路由器R1因同时连接到两个局域网上，因此它有两个硬件地址，即HA3和HA4。同理，路由器R2也有两个硬件地址HA5和HA6。

下图中不同层次、不同区间的源地址和目的地址

在网络层

写入IP数据报首部的地址

在数据链路层

写入IP数据报首部的地址

源地址

目的地址

源地址

目的地址

从H1到R1

IP1

IP2

HA1

HA3

从R1到R2

IP1

IP2

HA4

HA5

从R2到H2

IP1

IP2

HA6

HA2

这里要强调指出以下几点：

（1）在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。虽然IP数据报要经过路由器R1和R2的两次转发，但在它的首部中的源地址和目的地址始终分别是IP1和IP2。图中的数据报上写的“从IP1到IP2”就表示前者是源地址而后者是目的地址。数据报中间经过的两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中。

（2）虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。

（3）在局域网的链路层，只能看见MAC帧。IP数据报被封装在MAC帧中。MAC帧在不同网络上传送时，其MAC帧首部中的源地址和目的地址要发生变化，如上表。开始在H1到R1间传送时，MAC帧首部中写的是从硬件地址HA1发送到硬件地址HA3，路由器R1收到此MAC帧后，在数据链路层，要丢弃原来的MAC帧的首部和尾部。在转发时，在数据链路层，要重新添加上MAC帧的首部和尾部。这时首部中的源地址和目的地址分别便成为HA4和HA5。路由器R2收到此帧后，再次更换MAC帧的首部和尾部，首部中的源地址和目的地址分别变成为HA6和HA2。MAC帧的首部的这种变化，在上面的IP层上是看不见的。

（4）尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。

三、地址解析协议ARP

3.1 ARP协议简介

在实际应用中，我们经常会遇到这样的问题：已经知道了一个机器（主机或路由器）的IP地址，需要找出其相应的硬件地址。地址解析协议ARP就是用来解决这样的问题的。下图图说明了ARP协议的作用。

ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析协议，由于是IP协议使用了ARP协议，因此通常就把ARP协议划归网络层。ARP协议的用途是为了从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

地址解析协议ARP在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还经常动态更新（新增或超时删除）。每一台主机都设有一个ARP高速缓存（ARP cache），里面有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。那么主机怎样知道这些地址呢？我们可以通过下面的例子来说明。

3.2 ARP工作流程

当主机A要向本局域网上的某台主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就在ARP高速缓存中查出其对应的硬件地址，再把这个硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址。也有可能查不到主机B的IP地址的项目。这可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电，其高速缓存还是空的。在这种情况下，主机A就自动运行ARP，然后按以下步骤找出主机B的硬件地址。

（1）ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。如下图（a）是主机A广播发送ARP请求分组的示意图。ARP请求分组的主要内容是：“我的IP地址是209.0.0.5，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18。我想知道IP地址为209.0.0.6的主机的硬件地址。

（2）在本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。

（3）主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的IP地址一致，就收下这个ARP请求分组，并向主机A发送ARP响应分组，同时在这个ARP响应分组中写入自己的硬件地址。由于其余的所有主机的IP地址都与ARP请求分组中要查询的IP地址不一致，因此都不理睬这个ARP请求分组，见上图（b）。ARP响应分组的主要内容是：“我的IP地址是209.0.0.6，我的硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A。”请注意：虽然ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址。

（4）主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。

当主机A向B发送数据报时，很可能以后不久主机B还要向A发送数据报，因而主机B也可能要向A发送ARP请求分组。为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就把自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。当主机B收到A的ARP请求分组时，就把主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。以后主机B向A发送数据报时就很方便了。

ARP对保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间（例如，10～20分钟）。凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉，及时清理缓存失效的硬件设备地址。

3.3 ARP的四种典型情况

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地把这个IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。

下面我们归纳出使用ARP的四种典型情况。

（1）发送方是主机（如H1），要把IP数据报发送到同一个网络上的另一台主机（如H2）。这时H1发送ARP请求分组（在网1上广播），找到目的主机H2的硬件地址。

（2）发送方是主机（如H1），要把IP数据报发送到另一个网络上的一台主机（如H3或H4）。这时H1发送ARP请求分组（在网1上广播），找到网1上的一个路由器R1的硬件地址。剩下的工作由路由器R1来完成。R1要做的事情是下面的（3）或（4）。

（3）发送方是路由器（如R1），要把IP数据报转发到与R1连接在同一个网络（网2）上的主机（如H3）。这时R1发送ARP请求分组（在网2上广播），找到目的主机H3的硬件地址。

（4）发送方是路由器（如R1），要把IP数据报转发到网3上的一台主机（如H4）。H4与R1不是连接在同一个网络上。这时R1发送ARP请求分组（在网2上广播），找到连接在网2上的一个路由器R2的硬件地址。剩下的工作由这个路由器R2来完成。

在许多情况下需要多次使用ARP。但这只是以上几种情况的反复使用而已。

下图是window系统使用 arp -a 命令查看本机的ARP缓存表：

四、IP协议的转发流程

如下图所示，计算机A将数据发送给计算机B要经过多个网络，数据的传输过程是怎样的呢？

计算机A往计算机B发送数据的传输路径有很多种选择。我们暂且随机选一条传输路径，拉直后如下图

数据经过网络1到达路由器，经过网络2到达路由器，经过网络3到达计算机B。这种传输方式称为逐跳(hop-by-hop)，抽象地来看，数据在网络中的传输是从一个IP地址跳到另一个IP地址。

计算机、路由器都拥有一个路由表，路由表存储着指向特定网络地址的路径。

假设上图是计算机A的路由表，数据要到达目的地址IP1，下一跳的IP地址是IP4；数据要到达目的地址IP2，下一跳的IP地址是IP5。

仅从网络层分析，A发数据给B过程如下：

1. A发出目的IP为B的IP数据报， 查询自身路由表发现下一跳为E。
2. A将数据报发送给E。
3. E查询路由表发现下一跳为F，将数据报发送给F。
4. F查询路由表发现与目的IP设备B直接连接，将数据报发送给B。

结合网络层与数据链路层分析数据转发过程，如下：

1. A发出目的IP为B的IP数据报， 查询路由表发现下一跳为E；A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E；数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E；数据链路层通过物理层将数据发送给E。
2. E的数据链路层接收到数据帧， 把帧数据交给网络层；E查询路由表， 发现下一跳为F；E的网络层再把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为F；E的数据链路层封装数据帧并发送。
3. F的数据链路层接收到数据帧， 把帧数据交给网络层；F查询路由表， 发现下一跳为B；F的网络层再把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为B；F的数据链路层封装数据帧并发送。

在数据转发的过程中，数据帧每一跳的MAC地址都在变化，而IP数据报每一跳的IP地址始终保持不变。