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第 10 章

第 10 章. ARP 與 ICMP. 本章提要. ARP 簡介 ARP 封包格式 ARP 工具程式 ICMP 簡介 各類型的 ICMP 封包 ICMP 工具程式 擷取 ICMP 封包. ARP 簡介. 鏈結層與網路層位址的特性： 鏈結層在傳遞封包時 , 必須利用鏈結層位址 ( 例如：乙太網路 MAC 位址 ) 來識別目的裝置。 網路層在傳遞封包時 , 必須利用網路層位址 ( 例如： IP 位址 ) 來識別目的裝置。 當網路層封包要封裝為鏈結層封包之前 , 必須先取得目的裝置的 MAC 位址。.

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第 10 章

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  1. 第 10 章 ARP 與 ICMP

  2. 本章提要 • ARP 簡介 • ARP 封包格式 • ARP 工具程式 • ICMP 簡介 • 各類型的 ICMP 封包 • ICMP 工具程式 • 擷取 ICMP 封包

  3. ARP 簡介 • 鏈結層與網路層位址的特性： • 鏈結層在傳遞封包時, 必須利用鏈結層位址 (例如：乙太網路 MAC 位址) 來識別目的裝置。 • 網路層在傳遞封包時, 必須利用網路層位址 (例如：IP 位址) 來識別目的裝置。 • 當網路層封包要封裝為鏈結層封包之前, 必須先取得目的裝置的 MAC 位址。

  4. ARP 簡介 • 以 IP 為例, 便是將取得 MAC 位址的工作交由 ARP (Address Resolution Protocol, 位址解析協定) 來執行。 • 若以 OSI 模型來說明 ARP 的功能, 便是利用網路層位址, 來取得對應的鏈結層位址。換言之, 如果網路層使用 IP, 鏈結層使用乙太網路, 當我們知道某項裝置的 IP 位址時, 便可利用 ARP 來取得對應的乙太網路 MAC 位址。

  5. ARP 運作方式 • 以 IP 而言, 網路上每部裝置的 IP 與 MAC 位址的對應關係, 並未集中記錄在某個資料庫, 因此, 當 ARP 欲取得某裝置的 MAC 位址時, 必須直接向該裝置詢問。 • ARP 運作的方式相當簡單, 整個過程是由ARP 要求 (ARP Request)與 ARP 答覆(ARP Reply)兩種封包所組成。

  6. ARP 運作的方式 • 為了方便說明, 我們假設有 A、B 兩部電腦。A 電腦已經知道 B 電腦的 IP 位址, 現在要傳送 IP 封包給 B 電腦, 因此必須先利用 ARP 取得 B 電腦的 MAC 位址。

  7. ARP 要求 • A 電腦廣播 ARP 要求封包給區域網路上所有的電腦。

  8. ARP 要求 • ARP 要求封包在鏈結層是屬於廣播封包(亦即乙太網路廣播封包), 因此區域網路上的每一部電腦都會處理到此一封包。 • A 電腦所送出的 ARP 要求封包除了記錄所要解析的 IP 位址 (亦即 B 電腦的 IP 位址) 外, 也會包含 A 電腦本身的 IP 位址與 MAC 位址。

  9. ARP 答覆 • 區域網路內的所有電腦都會收到 ARP 要求的訊息, 並與本身的 IP 位址比對, 判斷自己是否為要求解析的對象。 • 以上例而言, B 電腦為 ARP 要求的解析對象, 因此只有 B 電腦會送出回應的 ARP 答覆封包。

  10. ARP 答覆 • 由於 B 電腦可從 ARP 要求封包中得知A 電腦的 IP 位址與 MAC 位址, 因此 ARP 答覆封包不必再使用廣播的方式, 而是直接在乙太網路封包中, 指定 A 電腦的 MAC 位址為目的位址。 • ARP 答覆封包中最重要的內容當然就是B 電腦的 MAC 位址。A 電腦收到此 ARP 答覆封包後, 即完成 MAC 位址解析的工作。

  11. ARP 的解析範圍 • 由於 ARP 在解析過程中, ARP 要求封包為乙太網路廣播封包, 而路由器會阻擋乙太網路廣播封包, 使該封包無法跨越到其它網路。 • 因此 ARP 僅能解析同一網路內的 MAC 位址, 無法解析其他網路的 MAC 位址。

  12. ARP 與 IP 路由 • 由於 ARP 只能解析同一網路內的 MAC 位址, 因此, 在整個 IP 路由過程中, 會出現多次的 ARP 位址解析。 • 例如：A 電腦要傳送 IP 封包給 B 電腦時, 若途中必須經過兩部路由器, 則總共須進行 3 次 ARP 名稱解析的動作。

  13. 多次 ARP 解析

  14. ARP 快取 • 由於 ARP 要求為鏈結層的廣播封包, 如果經常出現, 勢必造成區域網路的沉重負擔。為了避免此項問題, 在實作 ARP 時, 通常會加入 ARP 快取的設計。 • 快取的英文為 Cache, 意思是將常用 (或是預期將用到) 的資料暫存在讀寫效率較佳的儲存區域, 以加速存取的過程。ARP 快取可將網路裝置的 IP/MAC 位址記錄在本機電腦上 (通常是儲存在記憶體中)。

  15. ARP 快取 • 系統每次要解析 MAC 位址前, 便先在ARP 快取中查看是否有符合的紀錄。若ARP 快取中有符合的紀錄, 便直接使用；若 ARP 快取中找不到符合的紀錄, 才需要發出 ARP 要求的廣播封包。如此, 不僅加快位址解析的過程, 也可避免過多的ARP 要求廣播封包。 • ARP 快取所包含的紀錄, 依產生的方式, 可分為動態與靜態等兩種紀錄。

  16. 動態紀錄 • 當 ARP 完成每筆 IP/MAC 位址的解析後, 便會將結果儲存在 ARP 快取中, 供後續使用, 以避免重覆向同一對象要求位址解析。這些由 ARP 自動產生的紀錄即為動態紀錄。 • 以先前A、B 電腦為例, 當 A 電腦經由ARP 要求和 ARP 答覆取得 B 電腦的MAC 位址後, 便將 B 電腦的 IP 位址與MAC 位址儲存在 A 電腦的 ARP 快取中。

  17. 動態紀錄 • ARP 快取的動態紀錄雖然可提高位址解析的效能, 但也可能產生問題。 • 以先前 A、B 電腦為例, 當 A 電腦的 ARP 快取中有B 電腦 MAC 位址的紀錄時, 若 B 電腦故障、關機或更換網路卡, A 電腦因為無從得知, 仍然會依據 ARP 快取中的紀錄將封包傳送出去。

  18. 動態紀錄 • 這些封包傳送出去後不會有任何裝置加以處理, 就好像是丟到黑洞一樣有去無回, 此種現象稱為網路黑洞。 • 為了避免此種情形發生, ARP 快取中的動態紀錄必須有一定的壽命時間, 超過時間的紀錄便會被刪除。

  19. 靜態紀錄 • 當使用者已知某裝置的 IP/MAC 位址的對應關係後, 可經由手動的方式將之加入ARP 快取中, 此即為靜態紀錄。 • 由於 ARP 快取儲存在電腦的記憶體中, 因此無論是動態或靜態紀錄, 只要重新開機, 全部都會消失。

  20. ICMP 簡介 • IP 在傳送封包時, 只是單純的將 IP 封包送出即完成任務。在傳送過程中若發生問題, 則是由上層的協定來負責確認、重送等工作。 • 但是, 在 IP 路由的過程中若發生問題, 例如：路由器找不到合適的路徑, 或無法將IP 封包傳送出去, 則勢必需要某種機制, 將此狀況通知 IP 封包的來源端。這時候便會用到 ICMP (Internet Control Message Protocol) 這個協定。

  21. ICMP 簡介 • ICMP 屬於在網路層運作的協定, 一般視為是 IP 的輔助協定, 常用來報告錯誤。換言之, 在 IP 路由的過程中, 若主機或路由器發現任何異常, 便可利用 ICMP 來傳送相關的資訊。不過, ICMP 只負責報告問題, 至於要如何解決問題則不是 ICMP 的管轄範圍。

  22. ICMP 簡介 • 除了路由器或主機可利用 ICMP 來報告問題外, 網管人員也可利用適當的工具程式發出 ICMP 封包, 以便測試網路連線或排解問題等等。

  23. 各類型的 ICMP 封包 • 回應要求與回應答覆 • 無法送達目的 • 降低來源端傳送速度 • 重新導向 • 傳送逾時

  24. 回應要求與回應答覆 • 回應要求與回應答覆(Echo Request / Echo Reply) 可說是最常見的 ICMP 封包類型, 可用來排解網路問題, 包括 IP 路由的設定、網路連線等等。

  25. 回應要求與回應答覆的運作方式 • 由於 ICMP 封包都是包裝成 IP 封包的形式來傳送, 因此, 若能完成上述步驟, A 便能確認以下事項： • B 裝置存在, 且運作正常。 • A、B 之間的網路連線狀況正常。 • A、B 之間的 IP 路由正常。

  26. 無法送達目的 • 無法送達目的(Destination Unreachable) 也是常見的 ICMP 封包類型。在路由過程中若出現下列問題, 路由器或目的裝置便會發出此類型的 ICMP 封包, 通知 IP 封包的來源端。 • 路由器無法將 IP 封包傳送出去。 • 例如：在路由表中找不到合適的路徑, 或是連線中斷而無法將封包從合適的路徑傳出。 • 目的裝置無法處理收到的 IP 封包。 • 例如：目的裝置無法處理 IP 封包內所裝載的傳輸層協定。

  27. 無法送達目的－ICMP 表頭 • Code 欄位值可從 0 至 12, 以下僅舉例說明 3 個較常見的值： • 0, Network Unreachable： • 路由器收到 IP 封包後, 在路由表中若找不到合適的路徑, 便會發出 Network unreachable 的訊息給 IP 封包的來源端裝置。

  28. 無法送達目的－ICMP 表頭 • 1, Host unreachable： • 路由器收到 IP 封包後, 若目的位址與路由器在同一個 IP 網路上, 但路由器無法將 IP 封包傳送給目的裝置 (目的裝置未回應路由器的 ARP Request), 便會發出 Host unreachable 的訊息給 IP 封包的來源端裝置。

  29. 無法送達目的－ICMP 表頭 • 2, Protocol unreachable： • 當 IP 封包送達目的裝置後, 若目的裝置無法處理 IP 封包表頭中 Protocol 欄位所指定的協定, 便會發出 Protocol unreachable 的訊息給 IP 封包的來源端裝置。

  30. 無法送達目的－ICMP 表頭 • Unused • 長度為 4 Bytes。本欄位未定義用途, 欄位內容必須為 0。 • IP 表頭與 Payload • 當路由器或目的裝置要發出無法送達目的的封包時, 會將問題封包的 IP 表頭 (長度不定) , 以及 IP Payload 的前 8 Bytes 寫入本欄位。 • IP 封包來源端收到無法送達目的封包後, 可根據本欄位的資訊, 得知是哪一個 IP 封包有問題, 並據此決定因應的措施。

  31. 降低來源端傳送速度 • 當路由器因為來往的 IP 封包太多, 以致於來不及處理時, 便會發出降低來源端傳送速度(Source Quench) 的 ICMP 封包給IP 封包的來源端裝置。 • 在正式文件中並未規定路由器發出降低來源端傳送速度的條件。在實作時, 廠商通常是以路由器的 CPU 或緩衝區的負荷作為衡量標準, 例如：路由器的緩衝區使用量到達 85% 時, 便發出降低來源端傳送速度封包。

  32. 降低來源端傳輸速度－ICMP表頭

  33. 重新導向 • 當路由器發現主機所選的路徑並非最佳路徑時, 會送出 ICMP 重新導向 (Redirect) 封包, 通知主機較佳的路徑。

  34. 重新導向 • 當 A 要傳送 IP 封包給 B 時, 假設最佳路徑是經由 R1 路由器傳送至 B。可是由於某種因素, A 將 IP 封包送至 R2 路由器, 而 R2 路由器從本身的路由表發現, A 至 B 的最佳路徑應經由 R1 路由器, 則 R2 會發出重新導向的 ICMP 封包給 A。 • 但是 R2 只負責告知 A 電腦可能的問題, 至於 A 電腦要如何應變, 則非 ICMP 的管轄範圍。

  35. 重新導向封包的表頭欄位 • Code 欄位值可從 0 至 3, 以下僅說明較常見的值： • 1, Host： • 路由器收到 IP 封包後, 若在路由表中找到更合適的路徑, 便會發出此訊息給 IP 封包的來源端裝置。

  36. 重新導向封包的表頭欄位 • 3, TOS and Host： • 路由器收到 IP 封包後, 若在路由表中找到更符合 IP封包要求的 TOS 路徑, 便會發出本訊息給 IP 封包的來源端裝置。 • Redirect 的 ICMP 資料包含了 Router IP Address和 IP 表頭與 Payload等 2 個欄位。

  37. 重新導向－Router IP Address • 長度為 4 Bytes, 用來通知主機較佳的路由器。以先前的例子而言, 當 R2 路由器傳送 Redirect 封包給 A 主機時, 本欄位便填入 R1 路由器的 IP 位址。

  38. 重新導向－IP 表頭與 Payload • 將 IP 封包的 IP 表頭, 以及 IP Payload 的前 8 Bytes 寫入本欄位, 提供來源端 IP 封包額外的資訊。

  39. 傳送逾時 • IP 表頭記錄了封包的存活時間, 其主要功能是為了防止 IP 封包在不當的路由架構中永無止境地傳送。 • 當路由器收到存活時間為 1 的 IP 封包時, 會將此 IP 封包丟棄, 然後送出傳送逾時 (Time Exceeded) 的 ICMP 封包給 IP 封包的來源裝置。

  40. 傳送逾時 • 此外, 當 IP 封包在傳送過程中發生切割時, 必須在目的裝置重組切割後的 IP 封包。重組的過程中若在指定的時間內未收到全部切割後的 IP 封包, 目的裝置也會發出傳送逾時的 ICMP 封包給 IP 封包的來源裝置。

  41. 傳送逾時－ICMP 表頭 • Code 欄位值可為 0 或 1, 請參考以下說明： • 0, TTL count exceeded： • 當路由器收到 TTL 值為 1 的 IP 封包時, 便會發出此訊息給 IP 封包的來源端裝置。

  42. 傳送逾時－ICMP 表頭 • 1, Fragment reassembly time exceeded： • IP 封包目的裝置重組 IP Fragment 時, 若在指定的時間內未收到全部的 IP Fragment, 便會發出本訊息給 IP 封包的來源端裝置。 • 傳送逾時的 ICMP 資料包含了Unused 與 IP 表頭與 Payload等 2 個欄位：

  43. 傳送逾時－ICMP 表頭 • Unused • 長度為 4 Bytes。本欄位未定義用途, 欄位內容必須為 0。 • IP 表頭與 Payload • 當路由器或目的裝置要發出傳送逾時的封包時, 會將問題封包的 IP 表頭, 以及 IP Payload 的前 8 Bytes 寫入本欄位, 提供 IP 封包來源端額外的資訊。

  44. ICMP 工具程式 • PING：PING 工具程式可用來發出 ICMP 回應要求封包。網管人員可利用 PING 工具程式, 發出回應要求給特定的主機或路由器, 以診斷網路的問題。 • TRACERT：TRACERT 工具程式可找出本機電腦至目的 IP 位址所經過的路由器。

  45. PING • 利用 PING 來診斷網路問題 • PING 的語法與參數 • PING 範例

  46. 利用 PING 來診斷網路問題 • 當您發現網路連線異常時, 可參考下列步驟, 利用 PING工具程式, 由近而遠逐步鎖定問題所在。 1. ping 127.0.0.1 • 127.0.0.1 是所謂的 Loopback 位址。目的位址為 127.0.0.1 的封包不會送到網路上, 而是送至本機的 Loopback 驅動程式。此一動作主要是用來測試本機的 TCP/IP 協定是否正常運作。

  47. 利用 PING 來診斷網路問題 • 2. ping 本機 IP 位址 • 若步驟 1 中本機 TCP/IP 設定正確, 接下來可試試看網路裝置是否正常。若網路裝置有問題 (例如：舊型網路卡的 IRQ 設定有誤), 則不會回應。 • 3. ping 對外連線的路由器 • 也就是 PING 預設閘道(在 Windows 98 稱為通訊閘) 的 IP 位址。若成功, 代表內部網路與對外連線的路由器正常。

  48. 利用 PING 來診斷網路問題 4. ping 網際網路上電腦的 IP 位址 • 您可以隨便找一台網際網路上的電腦, PING 它的 IP 位址。如果有回應, 代表 IP 設定全部正常。 5. ping 網際網路上電腦的網址 • 您可以隨便找一台網際網路上的電腦, PING 它的網址, 例如：www.hinet.net (Hinet 的WWW 伺服器)。如果有回應, 代表 DNS 設定無誤。

  49. PING 的語法與參數 • PING 的語法如下： • PING 的常用參數：

  50. PING 範例 • 若要讓 PING 執行 DNS 反向查詢：

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