【软考网络管理员】2023年软考网管初级常见知识考点（13）-ARP、ICMP、IPv6协议详解-Toy模板网

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#涉及知识点
ARP协议详解、ICMP协议详解、IPv6协议等软考内容详解
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前言

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一、ARP协议

在网络层使用的是IP地址，但在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是要使用物理地址。由于IP地址是逻辑地址，是人为指定的，并没有直接与硬件在物理上一对一联系起来，因此需要将其与物理地址联系起来。
地址解析协议ARP解决这个问题的方法就是在主机的ARP缓存中存放一个从IP到MAC的映射表。
当主机A向本局域网内的主机B发送IP数据报的时候，就会先查找自己的ARP映射表，查看是否有主机B的IP地址，如有的话，就继续查找出其对应的硬件地址，再把这个硬件地址写入MAC帧中，然后通过局域网发往这个硬件地址。
也有可能找到不到』机B的IP地址项目，在这种情况下，主机A就要运行ARP,将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，B主机收到后单播返回ARP响应报文给A,A主机就在自己的ARP缓存表中缓存B主机IP和MAC的映射关系，并且ARP缓存表中每一个映射的项目都有一个生存时间（10-20分钟）。超过生存时间的项目就从ARP缓存中删除。下次请求和B通信时直接查询ARP缓存找到B的MAC去封装IP数据报以节约资源。

二、ICMP协议

因为IP协议是一个不可靠且非连接的传送协议，为了能够更加有效的转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP,ICMP协议作为IP数据报中的数据，封装在IP数据包中发送。
ICMP协议中定义了差错报告报文以及询问报文。

1.差错报告报文

ICMP差错报告报文包括：终点不可达、源站抑制、时间超过、路由重定向、参数问题等报文。终点不可达:主机或路由器无法交付数据报的时候就向源点发送终点不可达报文。比如：如果收到UDP数据报而且目的端口与某个正在使用的进程不相符，那么返回一个ICMP不可达报文。比如目标主机关机了或者不存在，路由器设置了ACL也会发送终点不可达。源站抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源站发送源站抑制报文，使源站知道应当将数据报的发送速率放慢。时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源站发送时间超过报文。当目的站在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时,就将已收到的数据报片都丢弃，并向源站发送时间超过报文。参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源站发送参数问题报文。改变路由(重定向)：路由器将改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。

2.询问报文

询问报文主要包括回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文。回送请求和回答：ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。主要是用来测试目的站是否可达以及了解其有关状态。时间戳请求和回答：主要是请某个主机或路由器而答当前的日期和时间。

三、IPv6协议

由于IPv4协议存在着地址空间匮乏、安全性差和不支持QoS等方面的固有缺陷，使IPv4协议难以担当下一代Internet核心协议的重任。为此，IETF提出IPv6oIPv6在IP地址空间、路由协议、安全性、移动性以及QoS支持等方面作了较大的改进，增强了IP协议的功能。

1.IPv6地址的特点

IPV6地址的特点包括以下几点：
(1)更大的地址空间：把原来32位地址扩展到128位，采用16进制表示，每4位构成一组，每组间用一个冒号隔开。
(2)扩展的地址层次结构：IPv6地址空间很大，因此可以划分为更多的层次。取消了IPv4的网络号、主机号和子网掩码的概念,IPv6以前缀、接口标识符、前缀长度取代，也没有A、B、C类地址的概念。
(3)灵活的首部格式：IPv6定义了很多可选的扩展首部。可提供比IPv4更多的功能。基本首部长度是40字节。
(4)改进的选项：允许数据报含有有选项的控制信息，IPv4的选项是固定不变的。(5)允许协议继续扩充：因为网络技术不断变化。
(5)支持即插即用。
(6)支持资源的预分配：IPv6支持视频图像等要求有一定带宽和时延的应用。

2.IPv6地址表示

IPv6地址为128位长，但通常写作8组每组4个十六进制数的形式。例如:2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344是一个合法的IPv6地址。
如果4个数字都是零，可以被省略。例如：
2001:0db8:85a3:0000:1319:8a2e:0370:7344
等价于：
2001:0db8:85a3::1319:8a2e:0370:7344=
遵守这些规则，如果因为省略而出现了两个以上的#,则可以压缩为一个，但这种零压缩在地址中只能出现一次。因此：
2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab
2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab
2001:0DB8:0::0:1428:57ab
2001:0DB8::1428:57ab
以上都是合法的地址，并且它们是等价的。同时前导的着可以省略，因此：2001:0DB8:02de::0el3等价于2001:DB8:2de::el3。

3.IPv6地址类型

IPV6地址类型分为单播、组播和任播。
(1)单播
单播地址是一个设备单个接口的地址。发送到一个单点传送地址的信息包只会送到地址为这个地址的接口。单播地址常见的有可聚合的全球单播地址、链路本地单播地址等。
1)可聚合全球单播地址是可以在全球范围内进行路由转发的IPv6地址，可聚合全球单播地址把128位的IP地址分为三级，如图6-4所示。全球路由选择前缀(48位)|子网标识符(16位)|接口标识符(64位)图6-4可聚合全球单播地址全球路由选择前缀：分配给各个公司和机构，用于路由器的路由选择。相当于IPv4地址中的网络号。主要这类地址的前三位是001,那么可进行分配的地址就是45位。具体来说，全局单播IPv6地址的范围是2000::/3o子网标识符：占16位，用于各个公司和机构创建自己的子网。对于小公司可以把这个字段置为0。接口标识符：指明主机或路由器单个接口。接口标识符字段有64位，因此可以将各接口的硬件地址直接进行编码形成接口标识符，而不需要ARP协议进行解析。
2)链路本地单播地址链路本地单播地址是个IPv6网络中的概念，接口在启动IPv6时，就会自动给自己配置上一个链路本地单播地址。链路本地单播地址的格式前缀为1111111010,即FE80::/64；其后是64位的接口ID。链路本地单播地址用于在本地单条链路中各个相邻接口之间的发现、IPv6地址的自动配置和相邻接口的通信等。
（2）组播
组播地址是一组接口共用的地址；发往一个组播地址的数据包将被传送至由该地址标识的所有接口上。在IPv6地址中没有广播地址，在IPv4协议中某些需要用到广播地址的服务或功能，都用组播地址来完成。IPv6组播地址的格式前缀为11111111,其后面是4位的Flag（标志）、4位的Scope（范围域）和GroupID（组ID）。
（3）任播
任播地址是IPv6中特有的地址类型，也用来标识一组接口，但与组播地址不同的是，发送到任播地址的数据报文被传送给此地址所标识的一组接口中距离源节点最近的一个接口。IPv6任播地址是从单播地址空间中分配的，并使用单播地址的格式。仅看地址本身，节点是无法区分任播地址和单播地址的。所以在配置的时候，必须明确指明它是一个任播地址。

4.特殊的IPv6地址

特殊的IPv6地址有：未指定地址和环回地址（回送地址）两类。
1）未指定地址：就是128位全是0的地址，IPv6单播地址中的0:0:0:0:0:0:0:0或者：:/128形式的地址叫未指定地址。通常在初始化主机、主机未取得具体的地址之前，通过主机发送IPv6数据包时，主机的地址（源地址）可以临时使用一下未指定地址（用来验证数据包源地址的唯一性）。
2）环回地址（回送地址）：前127位是0,最后一位是1的地址。IPv6单播地址中的0:0:0:0:0:0:0:1或者：：1形式的地址叫环回地址（回送地址），表示本身，用来把IPv6的数据包环发给接口岛己。
5.IPv6数据报格式
如图所示，IPv6协议对其基本报头定义了8个字段
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(1)版本号：长度为6位，对于IPv6,本字段的值必须为6。
(2)通信量类IHL：长度为8位，区分不同的IPv6数据报的类别或优先级。
(3)流标签：长度为20位，用于标识属于同一业务流的包(和资源预分配挂钩)。(4)净荷长度：长度为16位，除基本首部以外的字节数。
（5）下一个首部：长度为8位，指出了IPv6头后所跟的头&段中的协议类型。
（6）跳极限：长度为8位，每转发一次该值减1,到0则丢弃，用于留设置其超时值。
（7）源IP地址：长度为128位，指出发送方的地址。
(8)目的IP地址：长度为128位，指出接收方的地址。
IPv6扩展报文头是跟在IPv6基本报文头后面的可选报文头。在IPv6中，每个中间路由器必须处理的扩展报文头只有逐跳选项报头，这种处理方式提高了路由器处理数据报文的速度，也提高了其转发性能。扩展报文头有以下几类：逐跳选项扩展头、廿的选项扩展头、路由扩展头、分片扩展头、身份认证扩展头、封装安全有效载荷扩展头。

四、IPv4过渡IPv6

目前因特网成千上万的主机、路由器等网络设备都运行着IPv4协议。这就意味着从IPv4网络向IPv6网络演进是一个浩大而又烦杂的工程，IPv4和IPv6网络将在很长时间内共存，如何从IPv4网络平滑地过渡到IPv6网络是一个非常复杂的问题。
IPv6和IPv4互通包括3个层面：IPv6与IPv4终端或服务器互通，IPv6与IPv4网互通以及通过骨干IPv4网与对端IPv6网连接。
针对不同的互通需求，已经有不同的技术标准出现。IPv4终端或服务器互通采用双协议栈技术(设备上同时启用IPv4和IPv6的协议栈)来实现，对于需要跨越IPv4设备的IPv6网络之间的互联可以采用隧道技术，单一的IPv6网络需要访问IPv4网络，可以采用协议转换技术NAT/PT技术。