如何打开网站网页,网站界面ui设计,番禺低价网站建设,徐州网站制作案例在以太网中#xff0c;一个主机和另一个主机进行通信#xff0c;必须要知道目的主机的MAC地址#xff08;物理地址#xff09;#xff0c;只要知道目的主机的IP地址#xff0c;就可以通过ARP协议获取目的主机的MAC地址。
1、ARP协议简介 ARP#xff08;Address Resolut… 在以太网中一个主机和另一个主机进行通信必须要知道目的主机的MAC地址物理地址只要知道目的主机的IP地址就可以通过ARP协议获取目的主机的MAC地址。
1、ARP协议简介 ARPAddress Resolution Protocol即地址解析协议是根据IP地址逻辑地址获取MAC地址的一种TCP/IP协议。在以太网通信中数据是以“帧”的格式进行传输的帧格式里面包含目的主机的MAC地址。 源主机的应用程序知道目的主机的IP地址却不知道目的主机的MAC地址。而目的主机的MAC地址直接被网卡接收和解析当解析到目的MAC地址非本地MAC地址时则直接丢弃该包数据因此在通信前需要先获得目的MAC地址而ARP协议正是实现了此功能。 下图是OSI七层网络模型ARP处于第二层ICMP处于第三层UDP协议处于第四层。 图1 OSI七层模型 ARP协议的基本功能是通过目的主机IP地址获取目的主机的MAC地址以保证通信的顺利进行。MAC地址在网络中表示网卡的ID每个网卡都需要并有且仅有一个MAC地址。在获取到目的MAC地址之后将目的MAC地址更新至ARP缓存表中称为ARP映射。下次通信时可以直接从ARP缓存表中获取而不用重新通过ARP获取MAC地址。但一般ARP缓存表会有过期时间过期后需要重新通过ARP协议进行获取。 ARP映射是指将IP地址和MAC地址映射起来分为静态映射和动态映射。 静态映射指手动创建一张ARP表把IP地址和MAC地址关联起来。手动绑定之后源主机在通信之前可以从ARP表中找到IP地址对应的MAC地址。但存在局限性因为MAC地址可能会变化比如主机可能更换NIC网络适配器改变物理地址要避免类似问题出现必须定期维护更新ARP表会比较麻烦且影响网络性能。 动态映射指使用ARP协议来获取相对应的物理地址此过程是自动完成的故被称为动态映射。已经设计出用于实现动态映射协议的有ARP和RARP逆地址解析协议两种ARP把IP地址映射为物理地址RARP把物理地址映射为IP地址。RARP应用较少。 ARP协议分为ARP请求和ARP应答源主机查询目的MAC地址的报文称为ARP请求目的主机响应源主机并发送包含本地MAC地址的报文称为ARP应答。 当主机需要找出这个网络中的另一个主机的物理地址时它就可以发送一个ARP请求报文ARP请求报文包含了发送方的MAC地址和IP地址以及接收方的IP地址。因为不知道接收方的物理地址用48’hff_ff_ff_ff_ff_ff 表示称为广播地址。ARP请求如下图所示 图2 ARP请求示意图 上图中ARP发送的是广播地址所以该局域网内的所有电脑都会接收到该协议并且解析。将解析出的IP地址与自身IP地址对比如果一致就会把自身的IP和MAC地址打包通过ARP应答格式回复主机A。如果不是自身IP地址则不做任何处理。 主机B的IP地址是192.168.133.140因此主机B会通过ARP应答将自身的IP地址和MAC发送给主机B如下图所示。由于主机B可以从主机A发送的ARP请求中获取主机A的IP地址和MAC地址所以主机B发出的ARP应答是单播数据包只有主机A会接收到。 图3 ARP应答示意图 主机A解析收到的ARP应答报文中的目的MAC地址将目的MAC地址和目的IP地址更新至ARP缓存表中。当再次和主机B通信时直接从ARP缓存表中获取主机B的IP地址和MAC地址就不用重新发起ARP请求报文。ARP缓存表中的数据有过期时间一般为20分钟过期之后需要重新发起ARP请求以获取目的MAC地址。
2、以太网帧格式 ARP协议通过以太网传输就必须按照以太网规定的格式进行传输本节讲解以太网的帧格式。 下图就是以太网传输一帧数据的格式即以太网帧格式主要分为前导码、帧起始符、以太网帧头、以太网数据、CRC校验五个部分。 图4 以太网帧格式 前导码Preamble7个字节的8’h55也就是0、1交替出现标志开始传输数据。 帧起始符SFDStart Frame Delimiter1个字节8‘hd5表示一帧数据的开始。 14个字节的以太网帧头包括6个字节的目的MAC地址6个字节的源MAC地址2个字节的长度或者协议类型。 目的MAC地址 占用6个字节。MAC地址分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址第一个字节的最低位为0比如00-00-00-11-11-11表示唯一的设备组播地址第一个字节的最低位为1比如01-00-00-11-11-11表示同属一组的多个设备广播地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF表示同一网段中的所有设备。 在ARP请求时一般使用广播地址因为源主机不知道目的主机的MAC地址。而ARP应答时一般使用单播因为源主机可以通过目的主机发送的ARP请求解析出目的主机的MAC地址。 主机对以太网的帧数据解析时首先就会解析以太网帧头的目的MAC地址如果该MAC地址为广播地址或者与自身的MAC地址一致则继续解析该数据包否则舍弃该数据包不在往下解析。 源MAC地址表示发送端的物理地址占用6字节。 长度/类型当这两个数据小于1536时表示以太网数据段的长度也就是以太网数据段有多少个字节的数据。如果这两个字节的值大于1536表示该以太网中的数据属于哪个上层协议 例如0x0800代表IP协议、0x0806 代表ARP协议等。 数据段以太网中的数据段长度最小46个字节最大1500个字节。考虑多个计算机的数据帧排队等待时间、网络I/O控制器缓存区资源以及网络最大的承载能力等各种因素决定数据段传输的字节不能太大。 上层协议全部包含在以太网的数据段之中包括后文的ARP协议、ICMP协议、UDP协议等等。 帧检验序列FCSFrame Check Sequence为确保正确传输数据在数据的尾部加入4 字节的循环冗余校验码CRC校验来检测数据是否传输错误。CRC数据校验从以太网帧头开始不包含前导码和帧起始界定符。 在网络通信系统中应用最广泛的是CRC-32标准。 网络设备和组件在接收一帧之后需要短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备的时间这段时间被称为帧间隙IFGInterpacket Gap。IFG的最小值是96 bit time也就是传输96字节所需要的时间具体时间长度根据PHY的时钟周期有关。
3、ARP协议 前文对以太网帧格式进行了讲解本小节对ARP协议的格式进行讲解下图是以太网ARP数据包的格式由图可知ARP存在于以太网数据包的数据段。ARP数据长度固定为28字节由于以太网每次最少传输46字节数据所以需要填充18字节的0这18字节的0也要进行CRC校验。 图5 ARP数据包格式 如果数据端是ARP数据那么以太网帧头的最后两字节必须是0x0806表示后续的是ARP协议数据包。 下图是28字节ARP数据包的构成包括2字节的硬件类型、2字节的协议类型、1字节的硬件地址(MAC地址)长度、1字节的协议地址(IP协议地址)长度6字节的源MAC和目的MAC地址4字节的源IP和目的IP地址。 图6 ARP数据报构成 硬件类型Hardware type为1表示以太网地址。 协议类型Protocol type ARP协议的上层协议为IP协议值为0x0800。 硬件地址长度Hardware sizeMAC地址的长度以字节为单位该值为6。 协议地址长度Protocol sizeIP地址的长度以字节为单位该值为4。 OPOpcode操作码表示该数据包为ARP请求或ARP应答。1表示ARP请求2表示ARP应答。 源MAC地址发送端的硬件地址。 源IP地址发送端的协议IP地址如 192.168.1.102。 目的MAC地址接收端的硬件地址在ARP请求时由于不知道接收端MAC地址理论上该字段为广播地址即48’hff_ff_ff_ff_ff_ff。但实际上通过ILA抓取ARP请求数据可知该地址为0可能是目的主机不会解析该数据吧具体值是多少也就无所谓了。 目的IP地址接收端的协议IP地址如 192.168.1.10。 对以太网帧格式和ARP数据格式的讲解就到这里了下图是整合两者得到的ARP数据包格式。 图7 ARP数据包格式 4、总结 本文对以太网帧格式、ARP数据格式做了简要讲解为后文FPGA实现ARP协议的解析和发送做基础其实ICMP、UDP协议原理也都大体类似稍微复杂一点。 解析ARP数据包首先需要根据目的MAC地址确认该数据包是不是发送给开发板的如果是则继续解析不是则丢弃。然后根据长度/类型判断该数据包是否为ARP数据包如果是则继续解析。 ARP数据段主要注意OP编码确定接收到的是ARP请求还是ARP应答。然后解析出源主机的MAC地址和源主机的IP地址作为后续ARP应答的目的MAC地址和目的IP地址。最后对接收到的数据进行CRC校验确认接收数据无误。 如果接收到ARP请求则应该向源主机发送ARP应答数据包将开发板的MAC地址和IP地址发送给源主机便于后续通信。
