把这三个协议放到一起学习是因为这三个协议处于同一层,ARP协议用来找到目标主机的Ethernet网卡Mac地址,IP则承载要发送的消息。数据链路层可以从ARP得到数据的传送信息,而从IP得到要传输的数据信息。

IP协议

IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,IMCP,IGCP的数据都以IP数据格式传输。要注意的是,IP不是可靠的协议,这是说,IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制--这被认为是上层协议--TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议,而UDP就没有那么可靠的区别。

IP协议头


挨个解释它是教科书的活计,我感兴趣的只是那八位的TTL字段,还记得这个字段是做什么的么?这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃(这里就体现出来IP协议包的不可靠性,它不保证数据被送达),某个ip数据包每穿过一个路由器,该数据包的TTL数值就会减少1,当该数据包的TTL成为零,它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255,也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了,根据系统的不同,这个数字也不一样,一般是32或者是64,Tracerouter这个工具就是用这个原理工作的,tranceroute的-m选项要求最大值是255,也就是因为这个TTL在IP协议里面只有8bit。
现在的ip版本号是4,所以也称作IPv4。现在还有IPv6,而且运用也越来越广泛了。

IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候,IP数据包(或者说是路由器)是如何将数据包送到目的地的呢?它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢?
最特殊的情况是目的主机和主机直连,那么主机根本不用寻找路由,直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的,这就要靠ARP协议了,后面会讲到。
稍微一般一点的情况是,主机通过若干个路由器(router)和目的主机连接。那么路由器就要通过ip包的信息来为ip包寻找到一个合适的目标来进行传递,比如合适的主机,或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包
如果IP数据包的TTL(生命周期)以到,则该IP数据包就被抛弃。
搜索路由表,优先搜索匹配主机,如果能找到和IP地址完全一致的目标主机,则将该包发向目标主机
搜索路由表,如果匹配主机失败,则匹配同子网的路由器,这需要“子网掩码(1.3.)”的协助。如果找到路由器,则将该包发向路由器。
搜索路由表,如果匹配同子网路由器失败,则匹配同网号(第一章有讲解)路由器,如果找到路由器,则将该包发向路由器。
搜索路由表,如果以上都失败了,就搜索默认路由,如果默认路由存在,则发包。
如果都失败了,就丢掉这个包。
这再一次证明了,ip包是不可靠的。因为它不保证送达。

子网寻址

IP地址的定义是网络号+主机号。但是现在所有的主机都要求子网编址,也就是说,把主机号在细分成子网号+主机号。最终一个IP地址就成为 网络号码+子网号+主机号。例如一个B类地址:210.30.109.134。有多少位代表子网号这个问题上,这没有一个硬性的规定,取而代之的则是子网掩码,校园网相信大多数人都用过,在校园网的设定里面有一个255.255.255.0的东西,这就是子网掩码。子网掩码是由32bit的二进制数字序列,形式为是一连串的1和一连串的0,例如:255.255.255.0(二进制就是11111111.11111111.11111111.00000000)对于刚才的那个B类地址,因为210.30是网络号,那么后面109.134就是子网号和主机号的组合,又因为子网掩码只有后八bit为0,所以主机号就是IP地址的后八个bit,就是134,而剩下的就是子网号码--109。

ARP协议

还记得数据链路层的以太网的协议中,每一个数据包都有一个MAC地址头么?我们知道每一块以太网卡都有一个MAC地址,这个地址是唯一的,那么IP包是如何知道这个MAC地址的?这就是ARP协议的工作。
ARP(地址解析)协议是一种解析协议,本来主机是完全不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个接口,当主机要发送一个IP包的时候,会首先查一下自己的ARP高速缓存(就是一个IP-MAC地址对应表缓存),如果查询的IP-MAC值对不存在,那么主机就向网络发送一个ARP协议广播包,这个广播包里面就有待查询的IP地址,而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的IP地址,如果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件,那么就准备好一个包含自己的MAC地址的ARP包传送给发送ARP广播的主机,而广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存(就是存放IP-MAC对应表的地方)。发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的的数据包发送工作。
一个典型的arp缓存信息如下,在任意一个系统里面用“arp -a”命令:

Interface: 192.168.11.3 --- 0x2
Internet Address Physical Address Type
192.168.11.1 00-0d-0b-43-a0-2e dynamic
192.168.11.2 00-01-4a-03-5b-ed dynamic

都会得到这样的结果。
这样的高速缓存是有时限的,一般是20分钟(伯克利系统的衍生系统)。

RARP协议

具有本地磁盘的系统引导时,一般是从磁盘中的配置文件读取IP地址。但是无盘机,如无盘工作站,则需要采用其他方法获取ip地址。
网络上的每个系统都具有唯一的硬件地址,他是由网络接口生产厂家配置的。无盘系统的RARP实现过程是从接口卡上读取唯一的硬件地址,然后发送一份RARP请求(一帧在网络上的数据),请求某个主机在无盘系统的IP地址。
RARP服务器的复杂性在于。服务器一般要为多个主机提供硬件地址到IP地址的映射。更为复杂的是,RARP请求作为一个特殊类型的以太网数据帧来传送。这说明RARP服务器必须能够发送和接收这种类型的以太网数据帧。
RARP是许多无盘系统在引导时用来获取IP地址的。RARP实现起来要比ARP复杂,因为RARP请求实在硬件层上广播的。这意味着他们不经过路由器进行转发。为了能让无盘系统在RARP关机的情况下也能引导,通常要在一个网络上(一根电缆)提供多个RARP服务器。

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