Ch9IP地址与网络控制报文协议

第九章ARP、RARP、ICMP协议网络互联层（IP层）的目标之一是将各种底层物理网络所使用的物理地址隐藏起来，向上提供全网统一的、便于记忆的IP地址；IP层并没有对物理地址进行改动，也就是说，在物理层还是用的物理地址，IP层以上用IP地址，二者如何结合呢？

----通过ARP、RARP地址解析协议进行二者的映射；IP层采用的是不可靠的数据报方式进行数据传递，也就是说目的端的IP层对数据包不会应答，源端的IP层也不会重传。但IP层对IP包还是有一定的控制功能，如流量控制、拥塞控制和路由控制。如何进行控制的呢？

----通过ICMP网络控制报文协议来实现。9.1ARP协议(AddressResolutionProtocol)

IP层为了把IP包（以IP地址标示源端和目的端）通过链路层和物理层从源端传送到目的端，必须处理IP地址转换为物理地址的问题；

IP层为了进行地址转换，需要维护一个IP地址与物理地址映射表；在发送端，由IP层先查IP地址与物理地址映射表得到源IP、目的IP地址对应的物理地址，然后把IP包及源、目主机的MAC地址交给网络接口层，由网络接口层按数据帧格式封装（不同的网络格式不同），然后通过物理网络发送；在接收端，网络接口层把收到的帧的物理地址取出，与本机的物理地址比较，若相同，则交给IP层处理，否则丢弃之；关键问题：如何维持IP地址与物理地址映射表呢？

——通过ARP、RARP地址解析协议完成。当源端主机与目的端主机在同一物理网络时（如下图示）：1、ARP的工作原理（1）查表——当主机1向主机2发送IP包时，先在映射表中查对应的物理地址，若查到，则返回相应的物理地址；（2）询问——若查不到，则主机1向网络发送的一个称为ARP包的广播包，向所有机器询问“谁的IP地址为192.168.25.2，请把你的物理地址告诉给192.168.25.1/E1”；（3）响应——当主机2收到ARP询问包后，马上向主机1即192.168.25.1/E1回一个包含自己IP地址192.168.25.2和物理地址E2的ARP包，并在自己的地址映射表中记录或更新主机1的IP和物理地址；InternetAddr.PhysicalAddr.Type------------------------------------------------------192.168.25.100-11-22-33-44-55static192.168.25.200-11-22-33-44-55staticInternetAddr.PhysicalAddr.Type------------------------------------------------------192.168.25.100-11-22-33-44-55static192.168.25.200-11-22-33-44-55static（4）学习——网络上其他主机收到主机1的询问包后也会在自己的地址映射表中记录或更新主机1的IP和物理地址E1；（5）通报——对于新入网的主机，要求它主动广播自己的IP地址和物理地址，以便本广播域内的计算机都知道它的IP和MAC对应关系。arp-a------显示目前的ARP表arp-s192.168.25.19800-aa-bb-22-33-44 ------增加一个ARP项arp–d192.168.25.198------删除一个ARP项ARP表示例：ARP协议的演示假设主机1的IP为192.168.25.168，主机2的IP为192.168.25.188,两主机在同一个网络中，主机1的ARP表中没有主机2的MAC地址，在主机1上向主机2发ping检测包，通过Pktdump抓包程序分析arp

协议的工作过程；假设主机1的IP为192.168.25.168，主机2的IP为192.168.25.188,两主机在同一个网络中，主机1的ARP表中已有主机2的MAC地址，在主机1上向主机2发ping检测包，通过Pktdump抓包程序分析arp

协议的工作过程；ARP的工作原理(cont.)ARP的工作原理(cont.)当源端主机与目的端主机不在同一个物理网络上时（如下图示）：(1)当主机1向主机4发送IP包时，由于主机4与主机1不在同一物理网上，主机4不可能收到主机1发的ARP包（不在同一广播域内），所以主机1会把要发给主机4的IP包发给自己的缺省路由器1（缺省路由器1

的MAC地址也通过ARP协议获取）；(2)路由器1收到包后，根据包中目的主机4的网络号202.197.11把IP包按网络2的帧格式重新封装，然后转发给与该网络号相连的路由器2；源IP:202.197.12.1目的IP:202.197.11.6----------------------------源MAC：E1目的MAC：E3源IP:202.197.12.1目的IP:202.197.11.6----------------------------源MAC：F1目的MAC：F3主机1主机4ARP的工作原理(cont.)(3)路由器2收到FDDI帧后，根据帧中主机4的网络号202.197.11把IP包按网络3的帧格式重新封装，然后转发给目的主机4（其MAC地址也通过ARP协议获取）；(4)发送过程中，源IP和目的IP始终不会改变，但MAC地址在不断改变，在某个物理网上，如果路由器不知道下一个路由器或主机的物理地址，则采用ARP协议得到。源IP:202.197.12.1目的IP:202.197.11.6----------------------------源MAC：E4目的MAC：E6主机1主机4源IP:202.197.12.1目的IP:202.197.11.6----------------------------ARP协议的演示假设主机1的IP为192.168.25.168，其缺省网关IP为192.168.25.118，主机1的ARP表中没有缺省网关的MAC地址，主机2的IP为192.168.26.168,两主机不在同一个网络中，在主机1上向主机2发ping检测包，通过Pktdump抓包程序分析arp

协议的工作过程；ARP的工作原理(cont.)2、RARP协议(Reverse-ARP)如果已知自己的MAC地址，需要获取IP地址怎么办？例如：无盘工作站没有OS，如何解决IP地址分配的问题；在使用动态主机配置协议DHCP自动分配IP地址的网络中，如何为用户分配IP地址？通过RARP可以实现，RARP的工作原理：在网络上设置一个RARP/DHCP服务器；工作站/主机启动时，向网络上广播RARP包“我的物理地址为aa.bb.cc.dd.ee.ff,有谁知道我的IP地址请告诉我”。RARP/DHCP服务器收到RARP广播包后，根据IP地址当时的使用情况为该工作站/主机分配一个IP地址，并通过RARP包返回给aa.bb.cc.dd.ee.ff;3、ARP/RARP报文的格式

ARP与RARP的报文格式完全相同：08162431bit硬件类型：物理网络类型,ETH10M/ETH100M；协议类型：IP协议,0x800操作类型：1—ARP请求；2—ARP响应；3--RARP请求；4—RARP响应；发送者硬件地址：6Byte发送者IP地址：4Byte目的硬件地址：6Byte目的IP地址：4ByteARP/RARP包结构的实现typedef

struct_arphdr//定义ARP首部{

u_short

hw_type;

u_short

prot_type;

u_char

hw_addr_size;

u_char

prot_addr_size;

u_short op;

u_char sndr_hw_addr[6];

u_char sndr_ip_addr[4];

u_char rcpt_hw_addr[6];

u_char rcpt_ip_addr[4];

u_char padding[18];}ARP_HEADER;9.2ICMP协议(InternetControlMessageProtocol)由于IP层采用的数据报方式，当通信介质或路由器出现故障、目的端主机不可到达、IP报文生存定时器超时、路由器或通信线路拥塞等问题出现时，IP包都无法正常到达目的主机，而源主机却无法判断发送失败的原因，怎么办？----通过网络控制报文协议ICMP来处理；为了让路由器可以向源主机报告差错情况，IP协议族中引入Internet控制报文协议ICMP；ICMP是网络互连层的一部分，在网络互连层协议软件中都包含了ICMP协议的实现模块；ICMP报文通过IP协议来传输，当路由器要发送ICMP报文时，它会创建一个IP数据报并将ICMP报文封装到IP报文的数据区中，然后这个数据报象普通的IP报文一样通过Internet。9.2.1、ICMP报文格式报文类型报文编码校验和field1

field2field3

8bits8bits16bits16bits

16bits32bitsICMP报文

ICMP包是通过IP包发送的；

在IP包中ICMP包没有特别优先权，当ICMP包本身出错时，不会产生ICMP包的ICMP包，而是产生一个网络异常中断；

ICMP包的数据区除了包含出错IP包的报头外，还包含其数据区的前64bit数据，以便接收方更准确地判断由哪个高层协议来负责。IP包数据帧typedef

struct_icmphdr//定义ICMP首部{ BYTE i_type; //8位类型

BYTE i_code; //8位代码

USHORT i_cksum; //16位校验和

USHORT i_id; //识别号（一般用进程号作为 识别号）

USHORT i_seq; //报文序列号

ULONG timestamp; //时间戳}ICMP_HEADER;ICMP包结构的实现 差错报文ICMP报文类型控制报文

请求/应答报文目的端不可达（type=3）超时报文（type=11）参数出错（type=12）源抑制报文（type=4）重定向报文（type=5）回应请求/应答报文(type=8/0)时戳请求/应答报文(type=13/14)地址请求/应答报文(type=17/18)9.2.2、ICMP报文的类型1、差错报文 当路由器或目的主机认为某IP包传输出错如：目的端不可达、超时报文、参数出错，则丢弃该IP包，同时向源主机报告出错情况。目的端不可到达报文8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumUnusedInternetHeader+64bitsofOriginalDataDatagram

typecodeDescription30netunreachable31hostunreachable32protocolunreachable33portunreachable34fragmentationneededandDFset35sourceroutefailed差错报文（续）报文超时当IP包经过一段时间或经过一个路由器时，IP包中TTL的值减1，当变为0时，路由器将该IP包丢弃，以防止IP包在网络中逗圈，此时路由器需要发一个报文超时包以通知源主机；当主机在规定的时间内未收到某个分段的IP包因而不能正常组装IP包时，主机也将该IP包丢弃，此时主机也需要发一个报文超时包以通知源主机；8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumUnusedInternetHeader+64bitsofOriginalDataDatagram

typecodeDescription110timetoliveexceededintransit111fragmentreassemblytimeexceeded差错报文(续)应用网络超时报文可以用来跟踪从源端到目的端是否可达，并记录沿途经过的路由器的IP地址；方法为：第一次时，源端向目的端发送一个TTL=1的IP包，到达第一个路由器后，TTL的值减为0，于是路由器丢弃该IP包，并向源端返回一个包含该路由器IP地址的ICMP包；第二次时，源端向目的端发送一个TTL=2的IP包，到达第二个路由器后，TTL的值减为0，于是第二个路由器丢弃该IP包，并向源端返回一个包含该路由器IP地址的ICMP包；依次类推，可得到从源端到目的端所经过的所有路由器的IP地址（如果可到达的话）

Tracert

的演示:假设主机1的IP为192.168.25.168，主机2的IP为192.168.25.188,两主机在同一个网络中，在主机1上向主机2发tracert

检测包，通过Pktdump抓包程序分析arp&icmp

协议的工作过程；假设主机1的IP为192.168.25.168，其缺省网关IP为192.168.25.118，主机2的IP为192.168.26.168,两主机不在同一个网络中，在主机1上向主机2发tracert

检测包，通过Pktdump抓包程序分析arp&icmp

协议的工作过程；差错报文(续)差错报文（续）参数出错 当路由器/主机发现IP包头中的参数出错时（如可选参数出错），将丢弃该IP包，同时产生该报文以通知源节点。8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumPointerUnusedInternetHeader+64bitsofOriginalDataDatagram

typecodeDescription120Pointeridentifiestheoctetwhereanerrorwasdetected

源抑制报文--即抑制源端发送报文的速率。当路由器收到一个IP包后，如果到其目的节点的输出缓冲区队列没有足够的空间时，路由器将丢弃该IP包，同时产生该报文以通知源节点；当目的主机的从某个节点上收包的速度大大快于包的处理速度时，目的主机也产生该报文以通知源节点减慢发包的速度；当源端IP协议收到源抑制报文后，将会按指示减慢发送速率，经过一个周期后，如果没收到新的抑制报文，则源端认为拥塞解除，将提高发送速率，否则将再次降低发送速率。2、控制报文8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumUnusedInternetHeader+64bitsofOriginalDataDatagram

typecodeDescription40SourceQuenchMessage重定向报文--用于路由器告诉上一个路由器或主机去往目的地的最优路径。假设网关G1从网络上接收到一个IP包，查路由表后得到去目的地的下一个网关为G2，如果G2和目的主机在同一网络上，则G1将向源节点发一个重定向报文，建议源节点直接将数据报发向网关G2，因为这更近，同时网关G1向前（G2）继续发送此数据报；如果在IP包中指定了IP源路由和目的网关地址域，即使有更好的路由路由器也不会发送该报文。2、控制报文（续）8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumGatewayInternetAddressInternetHeader+64bitsofOriginalDataDatagram

typecodeDescription50RedirectdatagramsfortheNetwork51RedirectdatagramsfortheHost52RedirectdatagramsfortheTypeofServiceandNetwork53RedirectdatagramsfortheTypeofServiceandHostG1G2目标源 通过请求/应答报文可获得网络状态信息，以便进行故障诊断和控制。回应请求/应答—用于测试目的端的可达性，源端向目的端发送一个具有序列号的回应请求报文，其中包括测试数据，目的端收到后返回一个包含同样序列号和数据的应答报文，源端如在给定的时间内收到并比较二者数据一致，则说明源端到目的端是可达的，且二者的IP协议、ICMP协议以及中间经过的所有路由器的工作是正常的。3、请求/应答报文8bits8bits8bits8bitsTypecodeChecksumIdentifierSequenceNumberData。。。

typecodeDescription80echomessagerequest00echoreplymessageIdentifier、SequenceNumber用户协助请求和响应之间的配对；Data:用于测试的数据，长度可变。连通性命令测试Ping正是基于该原理的；Ping的演示:假设主机1的IP为192.168.25.168，主机2的IP为192.168.25.188,两主机在同一个网络中，在主机1上向主机2发ping检测包，通过Pktdump抓包程序分析icmp

协议的工作过程；假设主机1的IP为192.168.25.168，其缺省网关IP为192.168.25.118，主机2的IP为192.168.26.168,两主机不在同一个网络中，在主机1上向主机2发ping检测包，通过Pktdump抓包程序