实验11 ARP地址解析的应用

实验11 ARP地址解析 一、实验目的 1.理解地址解析协议ARP的概念、工作过程及用途； 2.理解IP地址和MAC地址的区别； 3.掌握ARP命令的使用。

二、实验要求 1.设备要求：计算机若干台（装有Windows 2000/XP/2003操作系统、装有网卡且联网） 2.每组2人，合作完成。

三、实验预备知识 1.IP地址与物理地址 在学习IP地址时，很重要的一点就是要分清一个主机的IP地址与物理地址的区别。物理地址就是在单个物理网络内部对一台计算机进行寻址时所使用的地址。在局域网中，由于物理地址已固化在网卡的ROM中，因此常常将物理地址称为硬件地址或MAC地址，而有一些网络并不是物理地址就是MAC地址，比如X.25网络。 在互联网中，IP地址能够屏蔽各个物理网络地址的差异，为上层用户提供“统一”的地址形式，而且这种“统一”是通过在物理网络上覆盖一层IP软件实现的，并不对物理地址做任何修改。高层软件通过IP地址来指定源地址和目的地址，而低层的物理网络通过物理地址发送和接收信息。在数据的封装过程中，网络层将IP地址放入IP数据报（IP协议使用的数据单元）的首部，而数据链路层将物理地址放在MAC帧（数据链路层的数据单元）的首部。IP数据报与MAC帧的关联如图1所示。

图1 IP地址与物理地址的区别 假如一个网络上的两台主机A和B，它们的IP地址分别是AI和BI，物理地址为AM和BM。在主机A需要将信息传送到主机B时，使用AI和BI作为源地址和目的地址。但是，

信息最终的传递必须利用下层的物理地址AM和BM实现。那么，主机A怎么将主机B的IP地址BI映射到它的物理地址BM上呢？ 将IP地址映射到物理地址的实现方法有多种，例如静态表格、直接映射等，每种网络都可以根据自身的特点选择适合于自己的映射方法。地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP）是以太网经常使用的映射方法，它充分利用了以太网的广播能力，将IP地址与物理地址进行动态绑定（Dynamic Binding）。

2.地址解析协议的基本思想 以太网一个很大的特点就是具有强大的广播能力。针对这种具备广播能力、物理地址长但长度固定的网络，IP互联网采用动态绑定方式进行IP地址到物理地址的映射，并制定了相应的协议——地址解析协议（ARP）。 假定在一个以太网中，主机A欲获得主机B的IP地址（BI）与MAC地址（BM）的映射关系，如图2所示，相应的ARP协议工作过程为： （1）主机A广播发送一个带有BI的请求信息包，请求主机B用它的IP地址BI和MAC地址BM的映射关系进行响应； （2）于是，以太网上的所有主机接收到这个请求信息（包括主机B在内）； （3）主机B识别该请求信息，并向主机A发送带有自己的IP地址BI和MAC地址B

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映射关系的响应信息包； （4）主机A得到BI与BM的映射关系，并可以在随后的发送过程中使用该映射关系。

图2 ARP协议的基本思想 3.ARP的工作过程 由于IP地址有32位，而物理地址有48位，因此，它们之间不是一个简单的映射（转换）关系。此外，在一个网络上可能经常出现有新的计算机加入进来，或撤走一些计算机。更换计算机的网卡也会使其物理地址改变。可见在计算机中应存放一个从IP地址到物理地址的映射表，并且能够经常动态更新。ARP协议很好的解决了这些问题。 在每台使用ARP的主机中，都保留了一个专用的高速缓存区（cache），用于保存已知的ARP表项。一旦收到ARP应答，主机就将获得的IP地址与物理地址的映射关系存入高速cache的ARP表中。当发送信息时，主机首先到高速cache的ARP表中查找相应的映射关系，若找不到，再利用ARP进行地址解析。利用高速缓存技术，主机不必为每个发送的IP数据报使用ARP协议，这样就可以减少网络流量，提高处理的效率。为了保证主机中ARP表的正确性，ARP表必须经常更新。为此，ARP表中的每一个表项都被分配了一个计时器，一旦某个表项超过了计时时限，主机就会自动将它删除，以保证ARP表的有效性。 下面举例说明完整的ARP工作过程。假设以太网上有4台计算机，分别是计算机A、B、X和Y，如图3所示。现在，计算机A的应用程序需要和计算机B的应用程序交换数据。在计算机A发送信息前，必须首先得到计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系。一个完整的ARP软件的工作过程如下：

图3 完整的ARP工作过程 （1）计算机A检查自己高速cache中的ARP表，判断ARP表中是否存有计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系。如果找到，则完成ARP地址解析；如果没有找到，则转至下一步； （2）计算机A广播含有自身IP地址与MAC地址映射关系的请求信息包，请求解析计算机B的IP地址与MAC地址映射关系； （3）包括计算机B在内的所有计算机接收到计算机A的请求信息，然后将计算机A的IP地址与MAC地址的映射关系存人各自的ARP表中； （4）计算机B发送ARP响应信息，通知自己的IP地址与MAC地址的对应关系； （5）计算机A收到计算机B的响应信息，并将计算机B的IP地址与MAC地址的映 射关系存入自己的ARP表中，从而完成计算机B的ARP地址解析。 计算机A得到计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系后就可以顺利地与计算机B通信了。在整个ARP工作期间，不但计算机A得到了计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系，而且计算机B、X和Y也都得到了计算机A的IP地址与MAC地址的映射关系。如果计算机B的应用程序需要立刻返回数据给计算机A的应用程序，那么，计算机B就不必再次执行上面描述的ARP请求过程了。 网络互联离不开路由器，如果一个网络（如以太网）利用ARP协议进行地址解析，那么，与这个网络相连的路由器也应该实现ARP协议。

四 实验内容与步骤 本实验指导可在实验室网络中完成。 1.查看cache中的ARP表 （1）点击“开始”-“运行”，敲入“cmd”然后回车，键入命令“arp -a”相关命令，查看本机的高速Cache中的ARP表项。记录实验结果，并完成下表（此表可增行）： Internet Address Physical Address Type （2）将同组成员的IP地址与MAC地址的映射关系加入到ARP表中。因为主机在向一个站点发送信息之前必须得到目的站点IP地址与MAC地址的映射关系，因此，可以利用ping命令向一个站点发送信息的方法，将这个站点IP地址与MAC地址的映射关系加入到ARP表中；如欲加入172.16.28.7与其MAC地址的对应关系，可使用“ping 172.16.28.7”，如图4所示。

图4 使用ping动态加入ARP表项 2.添加静态表项 （1）在命令行窗口（cmd窗口）用“arp –s”命令将同组成员的IP与其MAC地址的对应关系加入到ARP表中，然后用ARP相关命令查看是否添加成功。请添加一个静态ARP表项，记录下表。

添加命令 arp -s 192.168.xx.xx xx-xx-xx-xx-xx 查看命令 arp -a 查看结果 Internet 地址 物理地址 类型 192.168.xx.xx xx-xx-xx-xx-xx 静态

（2）与用“ping命令”添加的ARP表项进行比较，说明它们之间的异同。 比较结果与结论 使用 ping命令添加的类型为动态， 使用 arp -s 添加的类型为静态

3.删除ARP表项 使用“arp -d”命令将ARP表中的所有表项删除，并记录此过程。 arp -d 之后表项被清除，剩一个静态类型和一个动态类型

4.协议分析 （1）在“cmd”命令行窗口中，使用“arp”相关命令清除系统缓存中的目的主机IP的arp表项，若该表项不存在，可不清除。请记录操作步骤： 查看arp表项 清除相关表项 arp -a arp -d

（2）启动Wireshark的“Capture”→“Start”，使Wireshark捕获数据包。此时，在“cmd”命令行窗口中，完成“ping 目的主机IP”的命令。

（3）停止Wireshark的数据捕获，获得相关数据并显示在主界面。 （4）使用显示过滤器Filter，在Filter中输入“arp”，只显示ARP协议的相关数据包，完成如下分析： 问题 回答

源主机使用什么方法寻找目的主机？ 通过发送广播包来寻找

目的主机如何将其MAC地址传送给源主机？ 通过发送单播包来发送

目的主机的MAC地址是多少？ 自行查找

分析ARP请求包和ARP应答包的大小分别是多少字节（Bytes）？ 都是42，但应答包有18个填充字节

查看ARP分组的填充字符是什么？长度是多少？ 000000000000000000，长度为18字节

五 练习与思考 1.完成下列选择题。 （1）RARP协议用于（ A ）。（2006.5网络管理员试题） A.根据IP地址查询对应的MAC地址 B.IP协议运行中的差错控制 C.把MAC地址转换成对应的IP地址 D.根据交换的路由信息

（2）在通常情况下，下列说法是错误的是（ A ） A.高速缓冲区中的ARP表是由人工建立的 B.高速缓冲区中的ARP表是由主机自动建立的 C.高速缓冲区中的ARP表是动态的 D.高速缓冲区中的ARP表保存了主机IP地址与物理地址的映射关系

（3）下列情况中需要启动ARP请求的是（ C ） A.主机需要接受信息，但ARP表中没有源IP地址与MAC地址的映射关系 B.主机需要接受信息，但ARP表中已具有源IP地址与MAC地址的映射关系 C.主机需要发送信息，但ARP表中没有目的IP地址与MAC地址的映射关系 D.主机需要发送信息，但ARP表中已具有目的IP地址与MAC地址的映射关系

2.思考与讨论题 （1）有人将ARP列入网络接口层，即认为ARP不在IP层，这样对吗？ 错，ARP是将ip地址映射到物理地址，而IP地址是IP层的概念

（2）假定在一个局域网中计算机A发送ARP请求分组，希望找出计算机B的硬件地址。这时局域网上的所有计算机都能收到这个广播发送的ARP请求分组。试问这时由哪一个计算机使用ARP响应分组将计算机B的硬件地址告诉计算机A？ B响应，广播寻找，然后由响应 （3）一个主机要向另一个主机发送IP数据报。是否使用ARP就可以得到该目的主机的硬件地址，然后直接用这个硬件地址将IP数据报发送给目的主机？ 不一定，同一局域网内可以得到硬件地址；不同局域网得到的是路由器的地址。 （4）为了验证ARP协议的工作过程，请设计并实现以下实验： ① 假设一台计算机广播了一个ARP请求之后，收到两个应答，第一个应答表明硬件地址是H1，第二个应答声明硬件地址是H2，那么ARP软件首先从第一个应答中取出H1与IP的绑定信息，放入高速缓存中，然后从第二个应答中取出H2与IP地绑定信息后，检测高速缓存中已存在发送方IP的地址绑定信息，这时会以H2与IP的绑定信息替代高速缓存中已有的H1与IP的绑定。请设计实验验证ARP以上的工作，并描述实验方法与实验过程。 通过修改Mac地址来完成 1、 先清空两台主机A与B的arp地址 2、 Ping B主机的IP地址，获取B主机的MAC地址 3、 B主机在网络适配器中修改物理地址 4、 再次Ping B主机的IP地址，获取B主机的MAC地址 5、 arp -a查看A的arp表是否更新 ② ARP还引入了一种优化策略：在一台计算机回答了一个ARP请求之后，此计算机将会把报文中的发送方地址绑定加入自己的高速缓存中，以便以后加以利用。请设计实验验证ARP以上的工作，并描述实验方法和实验过程。 1、 先清空两台主机A与B的arp地址