В семиуровневой модели OSI на различных уровнях имеются разные типы адресов. На канальном это MAC-адрес, а на сетевом это IP-адрес. И для того чтобы установить соответствие между этими адресами используется протокол Address Resolution Protocol – ARP. Именно о нем мы поговорим в этой статье.
Адресация
Адреса 2-го уровня используются для локальных передач между устройствами, которые связаны напрямую. Адреса 3-го уровня используются устройств, которые подключены косвенно в межсетевой среде. Каждая сеть использует адресацию для идентификации и группировки устройств, чтобы передачи прошла успешно. Протокол Ethernet использует MAC-адреса, которые привязаны к сетевой карте.
Чтобы устройства могли общаться друг с другом, когда они не находятся в одной сети MAC-адрес должен быть сопоставлен с IP-адресом. Для этого сопоставления используются следующие протоколы:
- Address Resolution Protocol (ARP)
- Reverse ARP (RARP)
- Serial Line ARP (SLARP)
- Inverse ARP (InARP)
Address Resolution Protocol
Устройству 3го уровня необходим протокол ARP для сопоставления IP-адреса с MAC-адресом, для отправки IP пакетов. Прежде чем устройство отправит данные на другое устройство, оно заглянет в свой кеш ARP где хранятся все сопоставления IP и MAC адресов, чтобы узнать, есть ли MAC-адрес и соответствующий IP-адрес для устройства, которому идет отправка. Если записи нет, то устройство-источник отправляет широковещательное сообщение каждому устройству в сети чтобы узнать устройству с каким MAC-адресом принадлежит указанный IP-адрес. Все устройства сравнивают IP-адрес с их собственным и только устройство с соответствующим IP-адресом отвечает на отправляющее устройство пакетом, содержащим свой MAC-адрес. Исходное устройство добавляет MAC-адрес устройства назначения в свою таблицу ARP для дальнейшего использования, создает пакет с новыми данными и переходит к передаче.
Проще всего работу ARP иллюстрирует эта картинка:
Первый компьютер отправляет broadcast сообщение всем в широковещательном домене с запросом “У кого IP-адрес 10.10.10.2? Если у тебя, то сообщи свой MAC-адрес” и на что компьютер с этим адресом сообщает ему свой MAC.
Когда устройство назначения находится в удаленной сети, устройства третьего уровня одно за другим, повторяют тот же процесс, за исключением того, что отправляющее устройство отправляет ARP-запрос для MAC-адреса шлюза по умолчанию. После того, как адрес будет получен и шлюз по умолчанию получит пакет, шлюз по умолчанию передает IP-адрес получателя по связанным с ним сетям. Устройство уровня 3 в сети где находится устройство назначения использует ARP для получения MAC-адреса устройства назначения и доставки пакета.
Кэширование ARP
Поскольку сопоставление IP-адресов с MAC-адресами происходит на каждом хопе в сети для каждой дейтаграммы, отправленной в другую сеть, производительность сети может быть снижена. Чтобы свести к минимуму трансляции и ограничить расточительное использование сетевых ресурсов, было реализовано кэширование протокола ARP.
Кэширование ARP - это способ хранения IP-адресов и связанных c ними MAC-адресов данных в памяти в течение определенного периода времени, по мере изучения адресов. Это минимизирует использование ценных сетевых ресурсов для трансляции по одному и тому же адресу каждый раз, когда отправляются данные. Записи кэша должны поддерживаться, потому что информация может устаревать, поэтому очень важно, чтобы записи кэша устанавливались с истечением срока действия. Каждое устройство в сети обновляет свои таблицы по мере передачи адресов.
Статические и динамические записи в кеше ARP
Существуют записи статического ARP-кэша и записи динамического ARP-кэша. Статические записи настраиваются вручную и сохраняются в таблице кеша на постоянной основе. Статические записи лучше всего подходят для устройств, которым необходимо регулярно общаться с другими устройствами, обычно в одной и той же сети. Динамические записи хранятся в течение определенного периода времени, а затем удаляются.
Для статической маршрутизации администратор должен вручную вводить IP-адреса, маски подсети, шлюзы и соответствующие MAC-адреса для каждого интерфейса каждого устройства в таблицу. Статическая маршрутизация обеспечивает больший контроль, но для поддержания таблицы требуется больше работы. Таблица должна обновляться каждый раз, когда маршруты добавляются или изменяются.
Динамическая маршрутизация использует протоколы, которые позволяют устройствам в сети обмениваться информацией таблицы маршрутизации друг с другом. Таблица строится и изменяется автоматически. Никакие административные задачи не требуются, если не добавлен лимит времени, поэтому динамическая маршрутизация более эффективна, чем статическая маршрутизация.
Устройства, которые не используют ARP
Когда сеть делится на два сегмента, мост соединяет сегменты и фильтрует трафик на каждый сегмент на основе MAC-адресов. Мост создает свою собственную таблицу адресов, которая использует только MAC-адреса, в отличие от маршрутизатора, который имеет кэш ARP адресов, который содержит как IP-адреса, так и соответствующие MAC-адреса.
Пассивные хабы - это устройства центрального соединения, которые физически соединяют другие устройства в сети. Они отправляют сообщения всем портам на устройства и работают на уровне 1, но не поддерживают таблицу адресов.
Коммутаторы уровня 2 определяют, какой порт подключен к устройству, к которому адресовано сообщение, и отправлять сообщение только этому порту, в отличие от хаба, который отправляет сообщение всем его портам. Однако коммутаторы уровня 3 - это маршрутизаторы, которые создают кеш ARP (таблица).
Inverse ARP
Inverse ARP (InARP), который по умолчанию включен в сетях ATM, строит запись карты ATM и необходим для отправки одноадресных пакетов на сервер (или агент ретрансляции) на другом конце соединения. Обратный ARP поддерживается только для типа инкапсуляции aal5snap. Для многоточечных интерфейсов IP-адрес может быть получен с использованием других типов инкапсуляции, поскольку используются широковещательные пакеты.
Reverse ARP
Reverse ARP (RARP) - работает так же, как и протокол ARP, за исключением того, что пакет запроса RARP запрашивает IP-адрес вместо MAC-адреса. RARP часто используется бездисковыми рабочими станциями, потому что этот тип устройства не имеет способа хранить IP-адреса для использования при их загрузке. Единственный адрес, который известен - это MAC-адрес, поскольку он выжигается в сетевой карте. Для RARP требуется сервер RARP в том же сегменте сети, что и интерфейс устройства.
Proxy ARP
Прокси-ARP был реализован для включения устройств, которые разделены на физические сегменты сети, подключенные маршрутизатором в той же IP-сети или подсети для сопоставления адресов IP и MAC. Когда устройства не находятся в одной сети канала передачи данных (2-го уровня), но находятся в одной и той же IP-сети, они пытаются передавать данные друг другу, как если бы они находились в локальной сети. Однако маршрутизатор, который отделяет устройства, не будет отправлять широковещательное сообщение, поскольку маршрутизаторы не передают широковещательные сообщения аппаратного уровня. Поэтому адреса не могут быть сопоставлены.
Прокси-сервер ARP включен по умолчанию, поэтому «прокси-маршрутизатор», который находится между локальными сетями, отвечает своим MAC-адресом, как если бы это был маршрутизатор, к которому адресована широковещательная передача. Когда отправляющее устройство получает MAC-адрес прокси-маршрутизатора, он отправляет данные на прокси-маршрутизатор, который по очереди отправляет данные на указанное устройство.
Proxy ARP вызывается следующими условиями:
- IP-адрес назначения не находится в той же физической сети (LAN), на которой получен запрос.
- Сетевое устройство имеет один или несколько маршрутов к IP-адресу назначения.
- Все маршруты к IP-адресу назначения проходят через интерфейсы, отличные от тех, на которых получен запрос.
Когда proxy ARP отключен, устройство отвечает на запросы ARP, полученные на его интерфейсе, только если IP-адрес назначения совпадает с его IP-адресом или если целевой IP-адрес в ARP-запросе имеет статически настроенный псевдоним ARP.
Serial Line Address Resolution Protocol
Serial Line ARP (SLARP) используется для последовательных интерфейсов, которые используют инкапсуляцию High Link Level Link Control (HDLC). В дополнение к TFTP-серверу может потребоваться сервер SLARP, промежуточное (промежуточное) устройство и другое устройство, предоставляющее услугу SLARP. Если интерфейс напрямую не подключен к серверу, промежуточное устройство требуется для пересылки запросов сопоставления адреса на сервер. В противном случае требуется напрямую подключенное устройство с сервисом SLARP.
