第6章 地址解析

1、第6章 地址解析,宮彥磊 2008級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),地址解析（address resolution）： 地址之間的映射，稱為地址解析。 地址映射包括兩方面的內(nèi)容： (1)、從IP地址物理地址的映射。 地址解析協(xié)議（address resolution protocol，ARP）。 (2)、從物理地址IP地址的映射。 逆向地址解析協(xié)議（reverse address resolution protocol，RARP）。,6.1 地址解析協(xié)議,6.1.1 兩類地址之間的映射方式 IP地址到物理地址映射方式： (1)、表格方式：需要事先在各主機(jī)中人工建立一張IP地址物理地址映射表。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)

2、：人工建立，人工維護(hù)。不適應(yīng)大規(guī)模和長(zhǎng)距離的網(wǎng)絡(luò)或映射關(guān)系變化頻繁的網(wǎng)絡(luò)。,(2)、非表格方式：采用全自動(dòng)技術(shù)，地址映射表完全由機(jī)器自動(dòng)完成。根據(jù)物理地址類型（長(zhǎng)而固定的物理地址、短而可自由配置的物理地址）不同，非表格方式分為直接映射和動(dòng)態(tài)映射兩種。 直接映射：將短而可自由配置的物理地址經(jīng)過特意配置之后，可將它編入IP地址主機(jī)號(hào)中。地址解析時(shí)直接從IP地址的主機(jī)號(hào)部分取出即可。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行。 缺點(diǎn)：適用范圍有限。,動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：具備廣播能力，適用于具備廣播能力、物理地址固定的網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)協(xié)議（ARP）。 動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)ARP協(xié)議：在某廣播型網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)A欲解析主機(jī)B的IP地址IB，即計(jì)算與IB對(duì)應(yīng)

3、的物理地址PB。A首先廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求報(bào)文，請(qǐng)求IP地址為IB的主機(jī)回答其物理地址PB 。網(wǎng)絡(luò)上所有主機(jī)能將收到該ARP請(qǐng)求，由于B知道與IB關(guān)聯(lián)的物理地址，因此B做出應(yīng)答：向A發(fā)回一個(gè)ARP響應(yīng)報(bào)文，告知自己的物理地址PB 。這種解析方式即是動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。,ARP請(qǐng)求用廣播，響應(yīng)用單播,ARP提高動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)效率措施： 在ARP請(qǐng)求報(bào)文中放入信源機(jī)的“IP地址-物理地址”關(guān)聯(lián)，當(dāng)信宿機(jī)要解析信源機(jī)的物理地址時(shí)，就不用發(fā)送請(qǐng)求了。 信源機(jī)在廣播自己的地址關(guān)聯(lián)時(shí)，網(wǎng)上所有主機(jī)都可以將它存入自己的高速緩存，以供使用。 新機(jī)入網(wǎng)時(shí)，令其主動(dòng)廣播地址關(guān)聯(lián)，以通知其他主機(jī)。,6.1.2 ARP報(bào)文 報(bào)文格式,

4、數(shù)據(jù)以字節(jié)(B)為單位，ARP報(bào)文無(wú)固定的頭部，IP將它設(shè)計(jì)成一種能適應(yīng)各種物理網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)議地址的格式。其中各字段含義： 長(zhǎng)度:指出以后各相應(yīng)字段的長(zhǎng)度。 硬件類型:指出發(fā)送者本機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口類型。以太網(wǎng)網(wǎng)卡:1。 協(xié)議類型：指出發(fā)送者所請(qǐng)求的高級(jí)協(xié)議地址類型。0X0800代表IP地址。 操作：指出該本報(bào)文的類型：1代表ARP請(qǐng)求，2為ARP響應(yīng)，3為RARP請(qǐng)求，4代表RARP響應(yīng)。,進(jìn)行ARP請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送者在“發(fā)送者硬件地址”字段和“發(fā)送者協(xié)議地址”字段分別填入本機(jī)物理地址和IP地址；并在“目標(biāo)協(xié)議地址”字段填入欲解析的目標(biāo)機(jī)IP地址，在“操作”字段填如“1”，表明此報(bào)文為ARP請(qǐng)求。 目標(biāo)

5、機(jī)（主機(jī)或路由器）處理請(qǐng)求時(shí)，在所缺字段中，填入相應(yīng)數(shù)據(jù)，交換發(fā)送者字段和目標(biāo)字段的位置，因?yàn)榇藭r(shí)目標(biāo)機(jī)稱為發(fā)送者，將“操作”字段改為“2”，表明此報(bào)文是ARP響應(yīng)。,ARP報(bào)文的傳輸 ARP報(bào)文是作為一般數(shù)據(jù)放入物理網(wǎng)絡(luò)幀的數(shù)據(jù)區(qū)中傳輸?shù)?。如下圖所示： 有些硬件技術(shù)不支持上層軟件訪問幀頭，所以幀頭包含發(fā)送者硬件地址的同時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文中還包含發(fā)送者物理地址。,6.1.3 ARP工作流程 首先，信源機(jī)獲得目標(biāo)主機(jī)或路由器的IP地址，該地址就是目標(biāo)IP地址。目標(biāo)主機(jī)的IP地址通過DNS(Domain Name System)得到，目標(biāo)路由器的IP地址通過查路由表得到。 ARP產(chǎn)生ARP請(qǐng)求報(bào)文，在報(bào)

6、文中填入信源機(jī)的物理地址和IP地址，以及目標(biāo)IP地址。目標(biāo)物理地址字段填入0。,ARP請(qǐng)求報(bào)文被網(wǎng)絡(luò)接口封裝成幀。幀的源地址字段中填入信源機(jī)的物理地址，目的地址字段中填入物理廣播地址。然后，將該幀廣播到網(wǎng)絡(luò)中。 廣播范圍內(nèi)的每個(gè)主機(jī)或路由器都收到這個(gè)廣播幀。幀封裝的ARP請(qǐng)求報(bào)文被網(wǎng)絡(luò)接口交給ARP模塊。與ARP請(qǐng)求報(bào)文中的目標(biāo)IP地址不匹配的接受者將丟棄該報(bào)文。 目標(biāo)主機(jī)或目標(biāo)路由器發(fā)送ARP響應(yīng)報(bào)文，將自己的物理地址填入ARP響應(yīng)報(bào)文，使用單播幀（其目的地址是信源機(jī)的物理地址）將ARP響應(yīng)報(bào)文發(fā)回信源機(jī)。 信源機(jī)從ARP響應(yīng)報(bào)文中得知目標(biāo)機(jī)器的物理地址。,6.1.4 ARP工作的4種情況,

7、6.2 逆地址解析協(xié)議,逆向地址解析： 從物理地址到IP的映射，即給定一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)地址，如何給出對(duì)應(yīng)的IP地址。,6.2.1 RARP的作用 無(wú)盤機(jī)的IP地址是放在服務(wù)器中的，RARP協(xié)議解決了無(wú)盤機(jī)在不知道自身的IP地址和為引導(dǎo)操作系統(tǒng)之前，能夠依賴于物理地址進(jìn)行本地網(wǎng)絡(luò)通信。 RARP的作用是：給出一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)地址，然后通過服務(wù)器解析出對(duì)應(yīng)的IP地址。 在廣播IP地址請(qǐng)求時(shí)，無(wú)盤機(jī)可以使用任何唯一性的硬件標(biāo)識(shí)（CPU編號(hào)、物理地址等），IP網(wǎng)絡(luò)的選擇計(jì)算機(jī)物理地址的原因：物理地址可以隨時(shí)從硬件讀取，不必寫入操作系統(tǒng)；對(duì)于同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，物理地址時(shí)唯一的，且格式統(tǒng)一。,6.2.2 RAR

8、P工作原理,RARP協(xié)議若干問題： RARP請(qǐng)求的查錯(cuò)控制?？刂拼胧憾〞r(shí)重傳技術(shù)。發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求后在一定時(shí)間內(nèi)若收不到應(yīng)答，則重傳請(qǐng)求，直到成功。 1臺(tái)RARP服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器過載導(dǎo)致RARP請(qǐng)求分組損失可能性較大。 控制措施：一旦請(qǐng)求未得到響應(yīng)，無(wú)盤機(jī)重發(fā)一次請(qǐng)求，還不行，就宣布失敗，然后等待一個(gè)較大的重傳延時(shí)，這樣保證服務(wù)器有足夠時(shí)間一一響應(yīng)RARP請(qǐng)求。,多臺(tái)RARP服務(wù)器時(shí)，讓所有服務(wù)器同時(shí)回答一個(gè)RARP請(qǐng)求，一者是資源浪費(fèi)，一者是可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。 控制措施： 方法一、指定一個(gè)主服務(wù)器，其他為次服務(wù)器。一般情況下，主服務(wù)器回答RARP請(qǐng)求，次服務(wù)器只記錄請(qǐng)求到達(dá)時(shí)間。若主服務(wù)器不能

9、響應(yīng)，請(qǐng)求者通過定時(shí)器終止等待并立即重發(fā)請(qǐng)求。若某次服務(wù)器在第一個(gè)請(qǐng)求過后很快收到同樣一個(gè)請(qǐng)求，則認(rèn)定為主服務(wù)器不能做出響應(yīng)，該次服務(wù)器便響應(yīng)之。,多臺(tái)RARP服務(wù)器時(shí)，讓所有服務(wù)器同時(shí)回答一個(gè)RARP請(qǐng)求，一者是資源浪費(fèi)，一者是可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。 控制措施： 方法二、次服務(wù)器收到請(qǐng)求后，等待一段隨機(jī)時(shí)間再作響應(yīng)。主服務(wù)器是立即響應(yīng)的，后續(xù)響應(yīng)隨機(jī)到達(dá)，因此沖突的幾率極小。采用這種方法，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)延遲時(shí)間，可以保證每個(gè)RARP請(qǐng)求只廣播一次就能得到應(yīng)答。,6.2.3 RARP報(bào)文操作 RARP報(bào)文和ARP報(bào)文的異同： ARP只用于解析對(duì)方的物理地址； RARP除解析本機(jī)的IP地址之外，還可以

10、用于解析第三方的IP地址。 除以上不對(duì)稱之外，二者幾乎是互逆的，因此二者的報(bào)文格式完全相同，只是RARP請(qǐng)求報(bào)文指定本機(jī)即是發(fā)送者又是目標(biāo)機(jī)，并在“目標(biāo)硬件地址”字段也填入本機(jī)物理地址。 RARP服務(wù)器處理請(qǐng)求是，在“目標(biāo)IP地址”字段填入目標(biāo)機(jī)協(xié)議地址，將報(bào)文類型由“3”改為“4”。,6.3 引導(dǎo)協(xié)議,6.3.1 引導(dǎo)協(xié)議的作用 在廣播RARP請(qǐng)求時(shí)在目的IP地址字段全部填入全1的有限廣播地址，而路由器不轉(zhuǎn)發(fā)這樣的廣播分組，又因路由器從RARP請(qǐng)求報(bào)文得不到RARP服務(wù)器的IP地址，因此路由器也沒法通過路由選擇找到RARP服務(wù)器，進(jìn)而將RARP請(qǐng)求交給它。所以在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上都需要配置RARP服

11、務(wù)器?？蛇x安全引導(dǎo)協(xié)議（bootstrap protocol，BOOTP）解決了RARP協(xié)議的這個(gè)缺點(diǎn)。,BOOTP使得解析IP地址的效率更高，它還能為主機(jī)提供其他必須的信息： 使用的子網(wǎng)掩碼； 一個(gè)路由器的IP地址（默認(rèn)路由器）； 一個(gè)名字服務(wù)器的IP地址（本地DNS服務(wù)器）。,6.3.2 引導(dǎo)協(xié)議報(bào)文,選項(xiàng)字段格式,BOOTP選項(xiàng)項(xiàng)目,6.3.3 引導(dǎo)協(xié)議的工作流程 BOOTP采用客戶/服務(wù)器工作模式： BOOTP服務(wù)器在UDP端口67等待客戶的請(qǐng)求； 客戶發(fā)送BOOTP請(qǐng)求報(bào)文給服務(wù)器； 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)報(bào)文給客戶。,BOOTP工作過程,1、有限廣播 請(qǐng)求：主機(jī)加電后，引導(dǎo)程序開始運(yùn)行，利

12、用UDP來(lái)封裝BOOTP請(qǐng)求報(bào)文，UDP端口號(hào)68。UDP報(bào)文再被封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送。由于客戶不知道自己的IP地址和服務(wù)器的IP地址，所以采用廣播的方式發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)，IP數(shù)據(jù)報(bào)的源地址填入，目的地址填入55，全1的有限廣播地址使IP數(shù)據(jù)報(bào)被廣播道本地網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)。,響應(yīng)：BOOTP服務(wù)器收到客戶請(qǐng)求后，根據(jù)物理地址從數(shù)據(jù)庫(kù)中查出客戶機(jī)的IP地址，加上其他引導(dǎo)信息，構(gòu)成BOOTP響應(yīng)。由于此時(shí)的服務(wù)器的物理網(wǎng)絡(luò)接口層不知道客戶機(jī)的物理地址，所以BOOTP響應(yīng)不能直接發(fā)回客戶機(jī)。也不能采用ARP協(xié)議根據(jù)IP地址解析物理地址，因?yàn)榭蛻魴C(jī)不知道自己的I

13、P地址，無(wú)法對(duì)ARP請(qǐng)求做出響應(yīng)。另由于TCP/IP分層結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格單向依賴關(guān)系，所以也不能從BOOTP請(qǐng)求中取出客戶機(jī)的物理地址通知本機(jī)物理接口層。所以BOOTP響應(yīng)也只能通過廣播方式傳回客戶機(jī)。,2、事務(wù)標(biāo)識(shí)符的作用 若兩個(gè)主機(jī)同一時(shí)間發(fā)送BOOTP請(qǐng)求時(shí)，他們都會(huì)收到BOOTP服務(wù)器的響應(yīng)，那么客戶根據(jù)事務(wù)標(biāo)識(shí)符來(lái)判斷哪個(gè)是自己需要的。 方法是：若響應(yīng)報(bào)文中的事務(wù)標(biāo)識(shí)符等于請(qǐng)求報(bào)文中的事務(wù)標(biāo)識(shí)符，則認(rèn)為該響應(yīng)報(bào)文是自己需要的。,6.3.4 引導(dǎo)配置文件 無(wú)盤機(jī)引導(dǎo)過程： 第一步：通過BOOTP獲取引導(dǎo)文件名； 第二步：通過別的協(xié)議（比如文件傳輸協(xié)議FTP）獲取內(nèi)存映像，并運(yùn)行之。,采用兩步

14、引導(dǎo)的原因： (1)、服務(wù)器未必運(yùn)行在所需內(nèi)存映像的機(jī)器上（比如服務(wù)器是UNIX系統(tǒng)，而客戶需要NetWare的內(nèi)存映像）； (2)、即便是服務(wù)器能立即獲取內(nèi)存映像，它也很難一次事務(wù)過程中就將內(nèi)存映像傳給客戶機(jī)。為簡(jiǎn)化BOOTP設(shè)計(jì)，不再BOOTP響應(yīng)中傳送內(nèi)存映像。 (3)、服務(wù)器上有一個(gè)關(guān)于本地網(wǎng)絡(luò)上各無(wú)盤機(jī)的引導(dǎo)配置文件，即可用于無(wú)盤機(jī)，也可用于希望用非本地操作系統(tǒng)引導(dǎo)的計(jì)算機(jī)，它根據(jù)客戶機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造，不同的體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行不同類型的或不同版本的內(nèi)存映像。,舉例： 假如有一組硬件體系結(jié)構(gòu)不同的計(jì)算機(jī)向服務(wù)器請(qǐng)求內(nèi)存映像，它自己首先可能要指定引導(dǎo)文件大概的名字，比如UNIX，

15、于是就在BOOTP請(qǐng)求的“引導(dǎo)文件名”字段中填入“UNIX”。服務(wù)器收到請(qǐng)求后，便去引導(dǎo)配置文件中查找，找出適合于該客戶硬件體系結(jié)構(gòu)且滿足大概名字的真正的引導(dǎo)文件名，填入BOOTP響應(yīng)中同一字段，返回客戶機(jī)。,采用引導(dǎo)配置文件的優(yōu)點(diǎn)： (1)、網(wǎng)絡(luò)管理員可以對(duì)客戶機(jī)的內(nèi)存映像進(jìn)行配置，使它們運(yùn)行完全相同的映像，或者是運(yùn)行完全不同的映像； (2)、給客戶機(jī)用戶提供方便，使他們不必記住確切的引導(dǎo)文件名，也不必記住客戶機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)。,6.3.5 BOOTP與RARP的比較 RARP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，BOOTP與其相比，優(yōu)點(diǎn)如下： (1)、功能更強(qiáng)，可以提供更多的信息； (2)、使用UDP封裝，不直接更硬

16、件打交道，易于實(shí)現(xiàn)且可移植性好； (3)、可靠性更高； (4)、中繼代理可以使一個(gè)遠(yuǎn)程BOOTP服務(wù)器為多個(gè)局域網(wǎng)服務(wù)，提高了BOOTP服務(wù)效率； (5)、引導(dǎo)文件和兩步引導(dǎo)過程使BOOTP更加方便靈活。,BOOTP一些未解決的問題： 當(dāng)主機(jī)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，或主機(jī)要使用一個(gè)臨時(shí)的IP地址時(shí)，BOOTP就無(wú)能為力了。也就是說(shuō)BOOTP協(xié)議是個(gè)靜態(tài)協(xié)議，不能解決動(dòng)態(tài)配置主機(jī)的需要。因?yàn)锽OOTP提供信息的方式是到網(wǎng)絡(luò)的BOOTP服務(wù)器上查找一個(gè)已經(jīng)存在的包含物理地址-IP地址的映射引導(dǎo)配置文件，而主機(jī)剛到達(dá)的網(wǎng)絡(luò)還沒有這樣的映射存在。,6.4 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議,6.4.1 DHCP數(shù)

17、據(jù)庫(kù) DHCP服務(wù)器有兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)： (1)、第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)保存物理地址-IP地址映射以及其他信息，與BOOTP服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容基本相同； (2)、第二個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)擁有一個(gè)可用的IP地址池。當(dāng)DHCP客戶請(qǐng)求一個(gè)臨時(shí)的IP地址時(shí)，DHCP服務(wù)器就從IP地址池中取出一個(gè)未分配的IP地址，在租用期時(shí)間內(nèi)（默認(rèn)是1小時(shí)，有的是1天）指派給主機(jī)使用。,6.4.2 DHCP工作原理 DHCP也是采用客戶/服務(wù)器工作模式，是BOOTP的一個(gè)向后兼容，所以DHCP服務(wù)器也可以接收BOOTP請(qǐng)求報(bào)文。 DHCP服務(wù)器處理客戶請(qǐng)求分兩步執(zhí)行： (1)、第1步，當(dāng)DHCP服務(wù)器收到客戶請(qǐng)求時(shí)，首先檢查第一數(shù)據(jù)庫(kù)，若其中

18、有客戶的靜態(tài)配置信息，則通過DHCP響應(yīng)報(bào)文發(fā)回客戶（用戶得到的是永久IP地址）。,(2)、第2步，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有客戶的登記，服務(wù)器就檢查第二個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，給客戶指派一個(gè)IP地址，并將客戶登記。登記的做法就是在指派IP使用處填上客戶的物理地址。 DHCP服務(wù)器中的數(shù)據(jù)來(lái)源： (1)、網(wǎng)絡(luò)管理員手工實(shí)現(xiàn)無(wú)盤機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)的配置； (2)、無(wú)盤機(jī)入網(wǎng)時(shí)可以通過聲明自己的IP地址和物理地址等信息幫助服務(wù)器收集部分?jǐn)?shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)再由管理員手工指派。,6.4.3 DHCP報(bào)文 DHCP報(bào)文在BOOTP報(bào)文基礎(chǔ)上做了兩處改動(dòng)： (1)、未使用字段最左邊第一位設(shè)為標(biāo)志位，要求服務(wù)器廣播響應(yīng)報(bào)文（因?yàn)榭蛻魴C(jī)不知

19、道自己的IP地址） (2)、在選項(xiàng)中增加了幾個(gè)項(xiàng)目，選項(xiàng)字段長(zhǎng)度增加到312K？,DHCP報(bào)文,DHCP的一個(gè)選項(xiàng)項(xiàng)目,6.4.4 DHCP工作流程 主要步驟： (1)、客戶使用UDP端口68廣播DHCPDISCOVER報(bào)文； (2)、收到廣播的DHCP服務(wù)器發(fā)送DHCPOFFER報(bào)文； (3)、若客戶沒有收到DHCPOFFER，可以重新發(fā)出請(qǐng)求，重發(fā)請(qǐng)求次數(shù)為4，間隔2s，4次請(qǐng)求不成功，則休眠5min后再試。 (4)、若客戶收到DHCPOFFER報(bào)文，發(fā)送DHCPREQUEST報(bào)文給響應(yīng)的服務(wù)器。,(5)、服務(wù)器收到DHCPREQUEST報(bào)文，發(fā)回DHCPACK報(bào)文，并創(chuàng)建物理地址-IP地址映射?？蛻粼谧庥闷趦?nèi)使用服務(wù)器告知的IP地址。 (6)、當(dāng)租用時(shí)間過半時(shí)，客戶發(fā)送DHCPREQUEST報(bào)文請(qǐng)求更新租用期。 (7)、若服務(wù)器響應(yīng)DHCPACK，則客戶的請(qǐng)求被通過，可以講計(jì)時(shí)器復(fù)位，從0開始計(jì)時(shí)。若服務(wù)器響應(yīng)DHCPNACK，則客戶必須立即停止使用該IP地址，并回到步驟(1)；若服務(wù)器不響應(yīng)，用戶在租用期到達(dá)87.5%時(shí)，再發(fā)一個(gè)DHCPREQUEST。若在租用期結(jié)束之前得到響應(yīng)，則從0開始計(jì)時(shí)，若未收到，則等待，知道租用期結(jié)束，并回到步驟(1)。,6.5