计算机网络ARP协议的解析与仿真实现

张　兴，周　军，史　伟，杜　颖

(辽宁工业大学　电子与信息工程学院，辽宁　锦州　121001)



计算机网络ARP协议的解析与仿真实现

张兴，周军，史伟，杜颖

(辽宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁锦州121001)

在运用虚拟机技术模拟由路由器、交换机和多台计算机共同组成的复杂网络的基础上，实现了仅用一台普通PC机搭建ARP原理模拟机的目标。通过ARP原理模拟机解决了IP地址冲突等常见问题。总结了计算机网络应用程序间通讯所要遵循的基本原则，并将ARP原理模拟机进一步推广到计算机网络参考模型的其他层次当中。

计算机网络；ARP协议；模拟机；虚拟机；网络参考模型

地址解析协议(addressresolutionprotocol，ARP)是计算机网络中最重要的协议之一，处于OSI参考模型的网络层，且处于IP协议之下，如图1所示[1-2]；因此，ARP包并不像ICMP包那样要封装在IP数据报中，而是介于IP数据报和数据链路帧之间，起到承上启下的作用。众所周知，数据链路层使用物理地址通讯，网络层要靠网络层地址通讯，而我们往往只知道目的IP地址，这就需要ARP协议将IP地址转换成本网络所使用的物理地址后，双方才能完成底层数据帧的发送与接收[3-5]。

ARP在计算机网络中的地位举足轻重，在路由器与路由器之间、路由器与主机之间无不采用物理地址进行通讯；因此，弄清ARP原理，并利用其解决实际问题是非常必要的[6-8]。但当前的大学计算机网络课程对ARP原理的验证重视不够，采用的实验方法复杂，所需的网络设备价格昂贵，实验环境难以搭建[9-10]。本文通过采用一台普通的PC机及相关软件完成了ARP原理模拟机的搭建，以低成本、易操作性满足了用户的需求，在技术上和经济上是完全可行的。通过搭建ARP原理模拟机，学生在宿舍就可以完成ARP原理的验证，并且还能解决一些实际问题。

图1　ARP协议的位置

1　搭建ARP原理模拟机

ARP原理模拟机的搭建是非常容易的。首先，选择一台普通的PC机，内存最好在512M以上。操作系统可选择WindowsServer的一个版本，并在操作系统上安装虚拟机软件(本文使用的是VMware)。然后，利用虚拟机软件安装或克隆多个虚拟机，从而由宿主机和虚拟机构成了ARP原理模拟机，网络拓扑图如图2所示。虚拟机的网卡连接方式可选择“Bridged”或“Host-only”，桥接时一个网卡要绑定双IP，但在宿主机网卡未联网线时，只能选择“Host-only”方式。在采用“Host-only”方式时，如果同时打开两个虚拟机，且这两个虚拟机的IP属于不同网段，则虚拟机网卡的连接方式应选择“Custom：Specificvirtualnetwork”，使两个虚拟机上的网卡分别对应宿主机上不同的“Host-only”网卡。最后，分别在宿主机和虚拟机上安装操作系统自带的Microsoft“网络监视器”，启动后选择本地网卡捕获数据帧进行分析。

图2　ARP原理模拟机的网络拓扑图

2　利用ARP原理模拟机验证ARP原理

在ARP原理模拟机搭建起来后，我们要用其验证ARP原理。首先，分别用ipconfig/all命令检查两机的IP地址、MAC地址和网关的绑定是否正确；然后在两机上分别执行arp-a命令，结果显示“NoARPEntriesFound”，证明此时两机的ARP缓存是空的。在虚拟机1上ping宿主机，结果显示“Replyfrom192.168.0.1：bytes=32time<1msTTL=128”，证明已经ping通；再执行arp-a命令，结果如表1所示。

表1　虚拟机1上ARP缓存状况

虚拟机1已经得到宿主机的IP地址与MAC地址的映射。通过查看两机的Microsoft网络监视器捕获的数据包的顺序(如表2所示)，发现ARP包在前，ICMP包在后，说明在同一网络中只有在获悉对方的物理地址后才能进行通信。

表2中目标MAC地址为*BROADCAST，说明ARP请求包是以广播方式发送的，本网络的所有主机都会接收到；而表2中的第2行说明只有其IP与ARP请求包中的目的IP相同的主机才发送响应包，而且ARP的响应包是以单播方式发送的，响应时直接将ARP请求包中的源主机的MAC地址转变为ARP响应包的目的地址。

表2　宿主机上捕获的数据包情况

几分钟后，再在两机上分别执行arp-a命令，前面的映射从ARP缓存中消失，说明ARP为其缓存中每一项映射设置了计时器。设置的目的，主要是考虑用户IP或MAC地址可以灵活地变化；另外，从捕获的数据包情况分析，ARP请求包并非定期发送，而是按需发送；而一个ARP包只解析一个网络地址，这样有利于简化ARP包的格式。

从ICMPEchoReplyPacket中可以看出ICMP包作为IP数据包的数据存在，而IP数据包又作为Ethernet帧的数据存在。Microsoft网络监视器使用摘要窗格、细节窗格和十六进制窗格，按照从参考模型的低层到高层的顺序，把各层协议数据单元(protocoldataunit，PDU)的格式表现得淋漓尽致。因此，将这种方法扩展到整个计算机网络，就可以解决计算机网络大部分协议的原理和PDU的格式问题，使学生对计算机网络抽象理论的理解变得形象化、具体化。

3　利用ARP原理模拟机解决实际问题

在验证了ARP原理后，我们使用ARP原理模拟机来解决一些常见的实际问题。

1)当接收到一个ARP请求包(广播包)时，是只有与目的IP地址相同的主机还是所有接收到此ARP请求包的主机，将源主机的IP地址与物理地址的映射保存在本机的ARP缓存中？

2)在跨网段通信时，当另一网段的主机未开机(也许不存在)或目的网络不存在时，ARP缓存的结果如何？

3)IP地址冲突的原因是什么？与ARP有关吗？

对于第一个问题，操作的时候我们需要打开虚拟机1和虚拟机2，并使用ipconfig/all命令检查地址的绑定情况；然后在各机上执行arp-a命令，确保结果均是“NoARPEntriesFound”，即保证ARP缓存为空。在虚拟机1上ping宿主机，结果显示ping通；再在各机上执行arp-a命令，结果显示虚拟机1上有宿主机的IP与MAC的映射，宿主机上也有虚拟机1的IP与MAC的映射，而虚拟机2的ARP缓存仍为空。查看虚拟机2上捕获的数据包情况，发现的确收到了虚拟机1的ARP请求包。因此问题1的结论是：当收到一个ARP请求包时，只有与目的IP地址相同的主机将源主机的IP地址与物理地址映射保存在本机的ARP缓存中。这么做也是非常有道理的。即使其他主机在其缓存中保存此映射，此时也许他们不想与源主机通讯；而当他们想与源主机通讯时，此映射又过期了。不保存的做法也节省了其他主机的资源。

对于第二个问题，操作的时候我们需要打开虚拟机1和虚拟机3，并在宿主机上启动“路由和远程访问服务”，将宿主机设为“仅路由器”方式。重复解决第1个问题时的操作，确保地址绑定正确，并且ARP缓存都为空。我们先验证正常情况下跨网段通信时ARP包的情况。在虚拟机1上ping虚拟机3，得到“Replyfrom192.168.1.2：bytes=32time<1msTTL=127”，证明已经ping通，并且经过一个路由器后，IP包的TTL值减1。分别执行arp-a命令后虚拟机1和虚拟机3都得到了其网关的IP地址与MAC地址的映射。这里要注意，虚拟机1和虚拟机3并不需要知晓对方的MAC地址，MAC地址只在同一网段有效。通过查看所捕获的数据包，发现首先由虚拟机1发送帧给路由器(此处为宿主机)，然后由路由器将帧修改后发给虚拟机3。接下来，将虚拟机3关机。在虚拟机1上ping192.168.1.2，得到“Requesttimedout”。执行arp-a命令后，发现在虚拟机1上已有其网关的IP地址与MAC地址的映射。在虚拟机1上随便ping一个不存在的网络中的IP，比如ping192.168.1.3，得到“Replyfrom192.168.0.1：Destinationhostunreachable”。通过arp-a命令也得到其网关的IP地址与MAC地址的映射。因此，第二个问题的结论是：在跨网段通信时，当另一网络的主机未开机(或不存在)或目的网络不存在时，ARP的缓存均会保存其网关的IP地址与MAC地址的映射。

根据前两个问题的分析，我们得出结论：在计算机网络中，应用程序(进程)之间的通信要遵循一定的原则。

1)若通信时的目的地址为域名，则先通过DNS将域名解析成IP地址。

2)通过将本机IP、目的IP分别与本机MASK作按位与运算来检测源目主机是否在同一网络。若结果(网络地址)相同，则证明两主机属于同一网络，采用直接交付；否则，将IP包交给本网络的网关(路由器)，属于间接交付。

3)在交付时，首先查看本机ARP缓存是否存在目的IP(间接交付时为网关IP)与目的物理地址的映射，存在则直接封装成帧发送，否则利用ARP协议广播其请求包获取映射。

根据此原则，在第一个问题中虚拟机1将帧直接交付给了虚拟机2，而在第二个问题中虚拟机1采用的是间接交付，先将帧交付给它的网关，然后由它的网关查询路由表后，将IP包重新封装成帧交付到目的地。因此，即使IP包未成功交付给目的地，源主机也会得到其网关的IP地址与MAC地址的映射。

对于第三个问题，操作的时候我们需要打开虚拟机1和虚拟机2。利用ipconfig和arp命令确保地址绑定正确且ARP缓存为空。修改虚拟机1的IP地址，让它与宿主机的IP相同；点击“确定”后，虚拟机1的网络连通图标带上一个红色问号，并提示“刚配置的静态IP地址已在网络上使用。请重新配置一个不同的IP地址。”用ipconfig命令检测后发现虚拟机1的IP与MASK均变成无效的地址0.0.0.0；同时在宿主机上出现提示“Windows- 系统错误。IP地址与网络上的其他系统有

冲突。”用ipconfig命令检测后，发现宿主机IP地址未改变，使用时功能正常。查看宿主机、虚拟机1和虚拟机2上捕获的数据包，发现虚拟机1在修改IP地址成功前，为避免IP地址冲突要宣布其IP地址，方法就是广播一个ARP请求包，询问是否有使用此IP地址的主机。如果接收到ARP响应包，则说明网上已有此IP地址，发生了IP地址冲突，应更换另一IP地址使用，如图3所示；如果没收到ARP响应包，则在连续发送3个ARP请求包后，成功修改了自己的IP地址，如图4所示。因此IP地址冲突的根本原因就是一个IP地址不能对应两个MAC地址，否则无法保证目标的唯一性。

图3　IP地址冲突

图4　IP地址宣布成功

4　结束语

本文完成了仅用一台普通的PC机搭建ARP原理模拟机的任务，而且实施过程中所用到的硬件、软件都非常容易得到，搭建、应用等操作也非常容易掌握，这对于普通学生、工程技术人员和所有对计算机网络感兴趣的人理解ARP原理，并应用ARP原理解决实际问题帮助很大；另外，我们在ARP原理模拟机中使用了虚拟机技术，当宿主机与外界断开联系时，各虚拟机捕获数据帧时不会受到其他广播帧的干扰，易于我们分析结果。通过操作系统自带的网络监视器捕获数据包后，按TCP/IP参考模型自底向上的顺序进行分析，我们获得了模型中各层的PDU的格式，从而熟悉了各层的功能。我们可以将ARP原理模拟机推广到整个计算机网络当中，依照本文所使用的方法能帮助大家理解所有网络协议原理，应该说它的应用前景是非常广泛的。

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Principle Analysis and Simulation Realization of ARP Protocol in Computer Network

ZHANG Xing，ZHOU Jun，SHI Wei，DU Ying

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering，LiaoningUniversityofTechnology，Jinzhou121001，China)

ThispaperrealizesthegoalthatbuildstheARPprinciplesimulatorwithonlyoneordinaryPCbasedonusingvirtualmachinetechnologytosimulatethecomplexnetworkcomposedofrouters，switches，andmanycomputers.ThroughtheARPprinciplesimulator，wecansolvemanyfactualissuessuchasIPaddresscollisionetc.ThispapersummarizesbasicrulessubjecttowhichnetworkapplicationscommunicateandextendstheARPprinciplesimulatorthroughtothewholeTCP/IPreferencemodelfurther.

computernetworkcourseconstruction；ARPprotocol；simulator；virtualmachine；networkreferencemodel

2015-02-03；修改日期: 2016-05-20

辽宁省普通高等学校本科教育教学改革研究项目(UPRP20140214，2016-291)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目(LJQ2014066)。

张兴(1975-)，男，博士，副教授，主要从事网络体系结构与协议、信息安全、物联网技术与工程的研究。

TP393

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.018