ARP与OpenFlow based SDN

2020-07-02 00:00:00 设备 地址 目的 数据包 数据链

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ARP平时的使用比较多，原理也比较简单，今天来系统的全面的看一下ARP，以及在SDN中的ARP可以是怎么样的。

ARP全称是地址解析协议（Address Resolution Protocol）。它由RFC826定义，这是个不太长的RFC，标题比较有意思：
An Ethernet Address Resolution Protocol -- or -- Converting Network Protocol Addresses to 48.bit Ethernet Address for Transmission on Ethernet Hardware

一个以太网地址解析协议 --或者是-- 将网络协议地址转换成48bit的以太网地址，以便在以太网设备上传输

够直观！

目前广泛的应用是通过IP地址，查询MAC地址。如无特殊说明，本文之后说网络协议地址，就是IP地址，以太网地址，就是MAC地址。ARP是IPv4中必不可少的协议，不过在IPv6中已经被NDP代替。

为什么需要ARP？


在TCP/IP协议中，主机到主机之间的通讯是通过IP地址来建立逻辑路径。例如，ping的是IP地址，访问网络服务，访问的也是IP地址。刚刚说的逻辑路径可以包含多个数据链路。举个例子，当你在看这篇文章的时候，实际上是建立了由你的电脑的IP到知乎服务器IP之间的逻辑路径。而数据包沿着这个逻辑路径传输时，经过了多个交换机和路由器的转发，这中间对应了多个数据链路。当数据包在一个独立的数据链路中传送时，需要把数据包封装在以太网帧（Ethernet Frame）当中，为了让Frame到达目的节点，需要知道目的设备的数据链路标识，也就是MAC地址。因此，对于一个数据链路中的各个设备，只有知道彼此的标识，才能完成网络数据传输（也就是常说的2层数据传输）。ARP的作用就是促成彼此之间数据链路标识的识别，进而完成网络数据的传输。

ARP协议格式

了解ARP的应用之前，先来看看ARP的协议格式。


图中的前14个字节是以太网报头，这个是所有网络数据通用的。ARP对应的帧类型是0x0806。

之后的28个字节是ARP协议的具体内容。主要就是描述了对应的网络协议地址和数据链路标识。

  • 其中硬件类型和协议类型：分别对应的是数据链路的类型和网络协议的类型。常见的硬件类型就是0x0001，对应以太网；而常见的协议类型是0x8000，对应IPv4.
  • 硬件地址长度和协议地址长度：分别对应的是数据链路标识和网络协议地址的长度。以太网的标识长度是6，即6个字节的MAC地址；IPv4的长度是4个字节。
  • 操作码：表明了当前ARP数据包的类型。ARP请求对应1，ARP响应对应2。详细的操作码用IANA定义。
  • 源硬件地址（SHA，Source Hardware Address）和源协议地址（SPA，Source Protocol Address）：分别对应的源设备的MAC地址和IP地址。
  • 目的硬件地址（THA，Target Hardware Address）和目的协议地址（TPA，Target Protocol Address）：分别对应的是目的设备的MAC地址和IP地址。

ARP的基本行为模式

后面将介绍ARP的多种应用，虽然有的看起来比较复杂。但是他们都遵循着ARP协议的基本行为模式，可以概括如下：
  • ARP的数据包含在SHA和SPA当中。也就是说各个设备获取IP地址到MAC地址的对应取自SHA和SPA。当SHA或者SPA为空时，ARP数据。
  • ARP的传输模式由以太网报头决定，例如单播还是广播，由目标以太网地址决定，与THA无关。
  • 任何设备仅会处理TPA与自身IP地址匹配的ARP数据。

ARP如何获取邻居设备的MAC地址

前面说过ARP的作用就是获得邻居设备的MAC地址，这一节看看这个过程具体是怎样。


现在有两个设备A和B在一个数据链路中。A现在要ping B（10.0.0.22）。虽然现在知道了B设备的IP地址，但是ICMP数据包终还是要封装在以太网报头中，也就是说网络数据的传输还需要知道目的设备的MAC地址。为了完成ICMP封包，A设备先从自己的ARP cache中去查找10.0.0.22的记录，如果找到了，直接使用记录中的MAC地址来填到以太网报头中。如果没有找到，设备A会发送一个ARP数据包，这个数据包有以下特点：
  1. 它包含了源设备A的IP地址和MAC地址（SHA，SPA）
  2. 它包含了目的设备B的IP地址（TPA），由于不知道设备B的MAC地址，THA被填成全0
  3. 它的以太网报头中，目的地址是广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff
  4. 它的操作码是1，表明这是一个ARP请求

由于以太网报头中的目的地址是广播地址，整个数据链路上的设备都将收到该帧，只有设备B自身的IP能与TPA匹配，其他设备不能匹配都会丢弃数据包。设备B收到这个ARP请求之后，会回送一个ARP数据包，这个数据包具有如下特点：
  1. 它包含了设备B的IP地址和MAC地址（SHA，SPA）
  2. 它包含了设备A的IP地址和MAC地址（THA，TPA）
  3. 它的以太网报头中，目的地址是设备A的MAC地址
  4. 它的操作码是2，表明这是一个ARP响应

由B设备发出的ARP数据包不再是一个广播数据，而是单播给了设备A。并且该ARP响应中的SHA和SPA包含了设备B的IP和MAC地址，当设备A收到了该ARP响应，就知道了设备B的MAC地址，可以继续进行ICMP的封包，大致过程跟下面这个动图描述的一样。

ARP cache

前面已经提到了ARP cache。试想一下，如果每个ICMP封包都需要ARP广播一次获取目的设备的MAC地址，那网络上必定泛滥着ARP广播，而各个设备也必定疲于应付广播数据，即使没有任何实际数据包发送到设备本身。ARP cache就是为了解决这个问题提出的，这是设备本身的一个缓存，用来记录已知的IP地址和MAC地址的对应关系。根据RFC826，任何设备收到了任何ARP数据包，都必须更新其本地的ARP cache，更新的内容来自于ARP数据包的SPA和SHA。因此，在上面的过程中，设备A和设备B的ARP cache同时得到了更新。

ARP cache可以通过arp命令查看：

[~]$ arp -a

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