Протоколы ARP, RARP, ICMP: принцип работы, назначение

Если компьютер контактирует с другим аналогичным устройством в той же сети, требуется физический или MAC-адрес. Но поскольку приложение предоставило IP-адрес получателя, ему нужен какой-то механизм для его привязки с MAC-адресом. Это делается по протоколу разрешения адресов (ARP). IP-адрес узла назначения является широковещательным, а узел-получатель сообщает источник его MAC-адреса.

Это значит, что в каждом случае, когда машина A намерена передать пакеты данных устройству B, она вынуждена отправить ARP-пакет для разрешения MAC-адреса B. Следовательно, это слишком сильно увеличивает нагрузку на трафик, поэтому для снижения стоимости связи, компьютеры, которые используют протоколы ARP, сохраняют кеш недавно приобретенных привязок адресов IP_to_MAC, т. е. они не должны повторно использовать этот протокол.

Современный вид

Сегодня используются несколько усовершенствований протокола ARP и его назначения. Так, когда машина A хочет отправить пакеты устройству B, возможно, что B отправит данные для A в скором времени. По этой причине, чтобы избежать ARP для машины B, A должна выполнить привязку адреса IP_to_MAC при запросе MAC-адреса B в специальном пакете.

Поскольку A направляет свой изначальный запрос для MAC-адреса B, каждый компьютер в сети должен извлекать и хранить в своем кеше привязку адреса IP_to_MAC A. Когда в сети появляется новый компьютер (например, при перезагрузке операционной системы), он может транслировать эту привязку, чтобы все остальные машины могли хранить его в своих кешах. Это позволит устранить множество ARP-пакетов всеми другими машинами, когда они хотят общаться с добавленным устройством.

Вариации ARP-протокола

Рассмотрим сценарий, при котором компьютер делает попытку связаться с какой-либо удаленной машиной с помощью программы PING при том, что ранее не было обмена IP-дейтаграммами между этими устройствами, и ARP-пакет должен быть отправлен для идентификации MAC-адреса удаленного компьютера.

Сообщение запроса Address Resolution Protocol (которое выглядит как обращение A.A.A.A к B.B.B.B - IP-адресам) транслируется в локальной сети с использованием протокола Ethernet типа 0x806. Пакет отбрасывается всеми машинами, за исключением целевой, которая отвечает сообщением ответа APR (AAAA - hh: hh: hh: hh: hh: hh где hh: hh: hh: hh: hh: hh - адрес источника Ethernet ). Этот ответ является одноадресным для машины с IP-адресом B.B.B.B. Поскольку сообщение запроса протокола APR включало аппаратный адрес (а именно - источника Ethernet) запрашивающего компьютера, целевому устройству не требуется другое сообщение, чтобы понять это.

Взаимосвязь с другими протоколами

Как только вы поймете, для чего нужен протокол ARP, следует рассмотреть его взаимодействие с другими элементами сети.

RARP - это протокол, с помощью которого физическая машина в локальной сети может делать запрос, чтобы узнать свой IP-адрес из таблицы протокола или кэширования сервера шлюза. Это необходимо, так как на устройстве не может присутствовать постоянно установленный диск, где оно может постоянно хранить свой IP-адрес. Сетевой администратор создает таблицу в маршрутизаторе шлюза локальной сети, который сопоставляет адреса физического компьютера (либо управления доступом к среде - MAC) соответствующим «айпи». Когда новая машина настроена, ее клиентская программа RARP запрашивает с сервера RARP на маршрутизаторе для отправки его IP-адрес. Предполагая, что запись была настроена в таблице маршрутизатора, данный сервер RARP вернет «айпи» на компьютер, который может сохранить его для будущего использования. Таким образом, это тоже своеобразный протокол определения адреса.

Механизм в деталях

И машина, выдающая запрос, и сервер, на него отвечающий, использует физические сетевые адреса в процессе их короткой связи. Обычно запрашивающий компьютер не знает его. Таким образом, запрос передается всем машинам в сети. Теперь запросчик должен идентифицировать себя уникально для сервера. Для этого можно использовать либо серийный номер процессора, либо физический сетевой адрес устройства. При этом использование второго в качестве уникального идентификатора обладает двумя преимуществами:

• Данные адреса всегда доступны и не обязательно связаны с кодом начальной загрузки.
• Поскольку идентификационная информация зависит от сети, а не от ЦП, все машины в данной сети будут предоставлять уникальные идентификаторы.

Как и сообщение протокола ARP, запрос RARP отправляется с одного компьютера на другой, инкапсулированный в части данных сетевого кадра. Рамка Ethernet, содержащая его, имеет обычную преамбулу, Ethernet-источник и адреса назначения, а также поля типа пакета перед кадром. Кадр кодирует значение 8035, чтобы идентифицировать его содержимое как сообщение RARP. Часть данных кадра включает в себя 28-октетное сообщение.

Отправитель отправляет запрос RARP, который указывает себя как инициатор запроса и целевую машину, и передает свой физический сетевой адрес в поле целевого аппаратного адреса. Все устройства в сети получают запрос, но только те из них, кто уполномочен предоставлять RARP, обрабатывают запрос и отправляют ответ. Такие машины известны неофициально как серверы данного протокола. Для успешной реализации протоколов ARP/RARP сеть должна содержать как минимум один такой сервер.

Они отвечают на запрос, заполняя поле адреса целевого протокола, изменяя тип сообщения от запроса до ответа и отправляя ответ прямо на машину, отправляющую запрос.

Синхронизация транзакций RARP

Поскольку RARP напрямую использует физическую сеть, никакое иное программное обеспечение протокола не должно откликаться на запрос или повторно передавать его. ПО RARP должно выполнять эти задачи. Некоторые рабочие станции, полагающиеся на такой протокол для загрузки, предпочитают повторять попытку до бесконечности, пока не получат ответ. Иные реализации объявляют об отказе после нескольких попыток предотвратить наполнение сети ненужной трансляцией.

Преимущества Mulitple RARP Servers: большая надежность.

Недостаток: перегрузка может возникнуть, когда все серверы ответят.

Таким образом, чтобы избежать недостатков, можно использовать первичный и вторичный серверы. Каждому компьютеру, который запрашивает запрос RARP, назначается первичный сервер. Обычно он отвечает на все позывы, но если он терпит неудачу, тогда запросчик может взять тайм-аут и выполнить ретрансляцию запроса. Если второй сервер получает вторую копию запроса в течение короткого времени первого, он отвечает. Но все же может возникнуть проблема, при которой по умолчанию реагируют все вторичные серверы, тем самым перегружая сеть. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы избежать одновременной передачи ответов с обоих серверов. Каждый вторичный сервер, который принимает запрос, вычисляет случайную задержку и затем отправляет ответ.

Недостатки RARP

Поскольку он работает на низком уровне, он требует прямых адресов в сети, что затрудняет работу приложений для создания сервера. Он не полностью использует возможности такой сети, как ethernet, которая применяется для отправки минимального пакета. Поскольку ответ с сервера содержит только одну небольшую часть информации, 32-разрядный интернет-адрес RARP формально описан в RFC903.

ICMP-протокол

В этом протоколе зашифрован механизм, который шлюзы и хосты используют для обмена информацией об управлении или ошибкой. Интернет-протокол обеспечивает надежную службу передачи данных без установления соединения, датаграмма перемещается от шлюза к шлюзу, пока не достигнет того, которое может доставить его непосредственно до конечного пункта назначения.

Если шлюз не может маршрутизировать или доставлять дейтаграмму, или если он обнаруживает необычное условие, такое как перегрузка сети, что влияет на его способность перенаправлять дейтаграмму, ему необходимо дать указание исходному источнику принять меры, чтобы избежать или устранить проблему.

Связующее звено

Протокол управления интернет-протоколом позволяет шлюзам отправлять сообщения об ошибках или управлять сообщениями на другие шлюзы или хосты. ICMP предоставляет связь между программным обеспечением протокола Интернета между компьютерами. Это механизм сообщений так называемого специального назначения, добавленный разработчиками к протоколам TCP/IP. Это позволяет шлюзам в Интернете информировать об ошибках либо направлять информацию о непредвиденных обстоятельствах.

Сам протокол IP не содержит ничего, чтобы помочь подключиться к тестированию отправителя или узнать о сбоях. Отчеты об ошибках и их исправлении сообщаются посредством ICMP только в отношении исходного источника. Он должен связывать ошибки с отдельными прикладными программами и предпринимать действия для устранения проблем. Таким образом, он предоставляет возможность для шлюза сообщать об ошибке. При этом он не полностью определяет действие, которое необходимо предпринять для исправления неполадок.

ICMP ограничивается в связи с исходным источником, но не с промежуточными ICMP-сообщениями. Они отправляются через Интернет в части данных дейтаграммы IP, которая сама перемещается по сети. Именно поэтому они тесно взаимосвязаны с ARP-протоколом. ICMP-сообщения маршрутизируются точно так же, как датаграммы, содержащие информацию для пользователей, не имея при этом дополнительной надежности или приоритета.

Исключение присутствует для процедур обработки ошибок, когда IP-датаграмма, несущая сообщения ICMP, не генерируется для ошибок, которые возникают из дейтаграмм, содержащих сообщения о неполадках.

Формат сообщения ICMP

Оно насчитывает в себе три поля:

• 8-битное целочисленное поле TYPE, идентифицирующее сообщение;
• 8-битовое поле CODE, которое предоставляет дополнительную информацию о его типе;
• 16-разрядное поле CHECKSUM (ICMP использует одну и ту же контрольную сумму алгоритма, которая охватывает только сообщение этого протокола).

Кроме того, сообщения ICMP, информирующие об ошибках, во всех случаях включают в себя заголовок и начальные 64 бита данных дейтаграммы, вызывающих проблему.

Запросы и ответы

Протоколы TCP/IP предоставляют средства, помогающие сетевым менеджерам или пользователям идентифицировать сетевые проблемы. Один из чаще всего используемых инструментов отладки делает вызовы эхо-запроса ICMP и сообщения эхо-ответа. Хост или шлюз отправляет сообщение к определенному пункту назначения.

Любой компьютер, который принимает эхо-запрос, создает ответ, и возвращает его исходному отправителю. Запрос включает в себя необязательную область направляемых данных. Ответ имеет в себе копию данных, отправленных в запросе. Эхо-запрос и отклик, связанный с ним, могут применяться для проверки доступности достижимой цели и отклика.

Поскольку как запрос, так и ответ направляются в IP-датаграммах, успешное его получение подтверждает, что система исправно работает. Для этого должны быть соблюдены следующие условия:

• IP-программное обеспечение источника должно маршрутизировать датаграмму;
• Промежуточные шлюзы пунктом назначения и источником должны работать и правильно маршрутизировать дейтаграмму;
• Должен быть запущен конечный компьютер, и на нем должно работать как программное обеспечение ICMP, так и IP;
• Маршруты в шлюзах по обратному пути должны быть правильными.

Как это работает?

Работа протоколов ARP и ICMP тесно связана. Всякий раз, когда ошибка предотвращает маршрутизацию или доставку шлюзу датаграммы, он отправляет сообщение о недоступности адресата обратно в исходный код, а затем удаляет датаграмму. Неисправляемые неполадки в сети обычно подразумевают сбои в передаче данных. Поскольку сообщение включает в себя короткий префикс дейтаграммы, вызывавшей проблему, источник точно знает, какой из адресов недоступен. Направление может быть недоступно, поскольку аппаратное обеспечение временно не работает, отправитель сообщил несуществующий адрес назначения или потому, что шлюз не имеет маршрута к целевой сети.

Несмотря на то, что шлюзы отправляют не доходящие сообщения по назначению, если они не могут маршрутизировать или доставлять датаграммы, не все такие ошибки могут быть обнаружены. Если дейтаграмма содержит параметр исходного маршрута с неправильными данными, она может инициировать сообщение об ошибке маршрута источника.