计算机网络技术与应用07

第7章IP地址与ARP协议张建忠徐敬东南开大学计算机科学与技术系为什么需要IP地址？屏蔽各种物理网络的地址差异每种物理网络都有各自的技术特点，其物理地址也各不相同统一物理地址的表示方法不现实互联网对各种物理网络地址的“统一”通过IP地址在IP层完成IP地址的作用指定计算机到互联网的一个连接与互联网有多个物理连接的主机有多个IP地址多个IP地址可绑定到一条物理连接上互联网的层次结构IP地址的组成IP地址的长度为32位二进制数网络号netid：标识互联网中一个特定网络主机号hostid：标示网络中主机的一个特定连接IP编制的特点优点：IP编址方式携带了位置信息给出IP地址就能知道它位于哪个网络路由简单缺点：主机在网络间移动，IP地址须跟随变化IP地址的分类IP地址分类的优越性既能适应不同的网络规模又具有一定的灵活性IP地址的点分十进制标记法将4个字节的二进制数值转换成4个十进制数值每个十进制数值小于等于2554个十进制数值间用“.”隔开点分十进制标记法举例二进制IP地址：用点分十进制表示法表示：202.93.120.4411001010010111010111100000101100字节1字节4字节3字节2网络地址构成：一个有效的网络号和一个全“0”的主机号例：IP地址为202.93.120.44的主机所处的网络为202.93.120.0，主机号为44广播地址直接广播：主机向其他网络的所有节点广播信息构成：一个有效的网络号和一个全“1”的主机号例：202.93.120.255发送直接广播前需要知道目的网络的网络号有限广播：将广播限制在最小的范围内标准的IP编址：广播将被限制在本网络之中子网编址：广播被限制在本子网之中构成：255.255.255.255发送有限广播前不需要知道网络号回送地址回送地址：127.0.0.0作用：网络软件测试和本地机器进程间通信含有网络号127的数据报不可能出现在网络上编址实例IP分配需注意的问题小型网络使用C类地址，中型网络使用B类地址，大型网络使用A类地址主机连接到同一网络中所有主机的IP地址共享同一netid路由器路由器可以连接多个物理网络每个连接都拥有自己的IP地址每个连接IP地址的netid应与这个网络的netid相同子网编址IP地址可适应不同的网络规模个人电脑普及使小型网络（特别是小型局域网络）越来越多浪费IP地址（即使采用C类地址）子网编址：克服IP地址浪费子网编址方法IP地址具有层次结构：网络号和主机号子网编址方法将IP地址的主机号部分进一步划分成子网部分和主机部分从主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分在“借”用时必须给主机号部分剩余2位在“借”用时至少要借用2位子网编址方法举例子网地址和子网广播地址子网地址：以二进制全“0”结尾子网直接广播地址：以二进制全“1”结尾有限广播地址：32比特全为“1”（广播被限制在本子网内）RFC规定二进制全“0”或全“1”的子网号不应分配给实际的子网（但在实际应用中可以分配）C类网络的子网划分子网表示法—子网掩码法子网掩码采用32位二进制数值与IP地址的网络号和子网号相对应的位用“1”表示与IP地址的主机号相对应的位用“0”表示结合IP地址和其子网掩码可以判断IP地址的网络号、子网号和主机号子网掩码表示法举例（1）借用B类IP地址的8位表示子网子网掩码：255.255.255.0子网号：25子网掩码表示法举例（2）借用B类IP地址的4位表示子网子网掩码：255.255.240.0子网号：1子网表示法—斜杠标记表示法通过“IP地址/n”的方法表示，其中/n表示IP地址前n位为网络号和子网号例如IP：128.22.25.6、子网掩码：255.255.255.0128.22.25.6/24IP：128.22.25.6，子网掩码：255.255.240.0128.22.25.6/20无类别IP编址—子网编址的延伸无类别IP编址抛弃了分类IP地址的概念通过“网络前缀”指定网络号部分无类别IP编址可使用掩码或斜杠标记法表示无类别IP编址方式是一种通用的IP编址方式：分类IP编址、子网编址都可通过其表示优点：可按照网络的规模分配和申请IP地址、能在一定程度上减少路由表表项，提高路由转发速度例：将IP地址块202.113.48.0/20平均分给4个部门部门部门1部门2部门3部门4网络前缀202.113.48.0/22202.113.52.0/22202.113.56.0/22202.113.60.0/22掩码255.255.252.0255.255.252.0255.255.252.0255.255.252.0可分配IP地址.48.1~.51.254.52.1~.55.254.56.1~.59.254.60.1~.63.254可分配的IP地址数1022102210221022网络地址202.113.48.0202.113.52.0202.113.56.0202.113.60.0广播地址202.113.51.255202.113.55.255202.113.59.255202.113.63.255地址解析协议IP地址屏蔽物理网络地址的差异，为上层用户提供“统一”的地址形式IP地址屏蔽物理网络地址差异通过在物理网络上覆盖一层IP软件实现互联网不对物理地址做任何修改高层软件利用IP地址指定源地址和目的地址低层物理网络利用物理地址指定源地址和目的地址IP地址映射到物理地址的实现方法物理网络可以根据自身的特点选择适合的实现方法：静态表格、直接映射、动态映射等以太网采用的方法：地址解析协议ARPARP充分利用以太网的广播能力ARP协议的基本思想ARP协议的改进高速缓存技术主机使用cache保存已知的ARP表项主机获得其他IP地址与物理地址映射关系后存入该cache发送时先检索cache，若找不到再利用ARP解析利用计时器保证cache中ARP表项的“新鲜性”其他改进技术收到ARP请求后,目的主机将源主机的IP地址与物理地址的映射关系存入自己cache中广播发送的ARP请求，所有主机都会收到。这些主机可将该映射关系存入各自的cache主机启动时可主动广播自己IP地址与物理地址的映射关系完整的ARP工作过程以太网中ARP的报文格式ARP报文中各字段的意义硬件类型：以太网接口类型为1协议类型：IP协议类型为080016操作：ARP请求为1，ARP应答为2硬件地址长度：MAC地址长度为6B协议地址长度：IP地址长度为4B源MAC地址：发送方的MAC地址源IP地址：发送方的IP地址目的MAC地址：ARP请求中该字段没有意义；ARP响应中为接收方的MAC地址目的IP地址：ARP请求中为请求解析的IP地址；ARP响应中为接收方的IP地址ARP命令功能：查看、添加和删除高速缓存区中的ARP表项高速缓冲区中的ARP表项动态表项：随时间推移自动添加和删除静态表项：一直保留，直到人为删除或重新启动计算机Windows中ARP表项的潜在生命周期：10分钟新表项加入时定时器开始计时表项添加后两分钟内没有被再次使用：删除表项被再次使用：增加2分钟的生命周期表项始终在使用：最长生命周期为10分钟显示高速cache中的ARP表添加和删除ARP表项添加命令：arp–sinet_addreth_addr人为增加ARP表项一定要确保IP地址与MAC地址的对应关系是正确的删除命令：arp–dinet_addrInet_addr为“*”时删除所有表项利用WinPcap获取IP-MAC的对应关系获取本机网络接口的IP地址intpcap_findalldevs_ex(char*source,structpcap_rmtauthauth,pcap_if_t**alldevs,char*errbuf);Typedefstructpcap_ifpcap_if_t;structpcap_if{structpcap_if*next;char*name;char*description;structpcap_addr*addresses;u_intflags;};structpcap_addr{structpcap_addr*next;structsockaddr*addr;structsockaddr*netmask;structsockaddr*broadaddr;structsockaddr*dstaddr;};例：获取本机网络接口的IP地址pcap_if_t*alldevs;//指向设备链表首部的指针pcap_if_t*d;pcap_addr_t*a;charerrbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];//错误信息缓冲区if(pcap_findalldevs_ex(……)==-1){……}//获得本机的设备列表for(d=alldevs;d!=NULL;d=d-next)//显示接口列表{……//利用d-name获取该网络接口设备的名字……//利用d-description获取该网络接口设备的描述信息for(a=d-addresses;a!=NULL;a=addr-next)//获取IP地址{if(a-addr-sa_family==AF_INET)//该地址是否IP地址{……//利用a-addr获取IP地址……//利用a-netmask获取网络掩码……//利用a-broadaddr获取广播地址……//利用a-dstaddr)获取目的地址}}pcap_freealldevs(alldevs);//释放设备列表获取本机网卡的MAC（1/2)NetBIOS编程接口与winsock的gethostbyname函数（获取的MAC地址和IP地址很难与WinPcap获取的设备接口名对应）pcap_findalldevs_ex可获取本机的网络接口设备列表包含了本机所有网络接口和接口上绑定的IP地址不包含接口的物理地址获取本机网卡的MAC（2/2)获取本机网络接口和接口上绑定的IP地址发送ARP请求，请求本机网络接口上绑定的IP地址与MAC地址的对应关系：本地主机模拟一个远端主机，发送一个ARP请求报文，该请求报文请求本机网络接口上绑定的IP地址与MAC地址的对应关系捕获本机的ARP响应，获取本机网络接口的MAC地址发送数据包intpcap_sendpacket(pcap_t*p,u_charbuf,intsize};发送ARP请求的例子（1）#pragmapack(1)typedefstructFrameHeader_t{//帧首部BYTEDesMAC[6];BYTESrcMAC[6];WORDFrameType;}FrameHeader_t;typedefstructARPFrame_t{//ARP帧FrameHeader_tFrameHeader;WORDHardwareType;WORDProtocolType;BYTEHLen;BYTEPLen;WORDOperation;BYTESendHa[6];DWORDSendIP;BYTERecvHa[6];DWORDRecvIP;}ARPFrame_t;#pragmapack()发送ARP请求的例子（2）ARPFrame_tARPFrame;//将ARPFrame.FrameHeader.DesMAC设置为广播地址。//将ARPFrame.FrameHeader.SrcMAC设置为本机网卡的MAC地址。ARPFrame.FrameHeader.FrameType=htons(0x0806);//帧类型为ARPARPFrame.HardwareType=htons(0x0001);//硬件类型为以太网ARPFrame.ProtocolType=htons(0x0800);//协议类型为IPARPF