Илл. 5.62. Две коммутируемые LAN Ethernet, соединенные маршрутизатором
Теперь программное обеспечение верхнего уровня хоста 1 создает пакет со значением 192.31.65.5 в поле Destination address и передает его IP-программе для пересылки. Программное обеспечение IP может посмотреть на адрес и увидеть, что адресат находится в сети CS (то есть в его собственной сети), но ему нужно как-то определить Ethernet-адрес получателя. Одно из решений состоит в том, чтобы хранить в системе конфигурационный файл, в котором были бы перечислены соответствия всех локальных IP-адресов Ethernet-адресам. Такое решение, конечно, возможно, но в организациях с тысячами компьютеров обновление этих файлов потребует много времени и подвержено ошибкам.
Более удачное решение заключается в рассылке хостом 1 по сети Ethernet широковещательного пакета с вопросом: «Кому принадлежит IP-адрес 192.32.65.5?» Этот пакет будет получен всеми компьютерами сети CS Ethernet, и каждый из них проверит его IP-адрес. Только хост 2 ответит на вопрос своим Ethernet-адресом E2. Таким образом, хост 1 узнает, что IP-адрес 192.32.65.5 принадлежит хосту с Ethernet-адресом E2. Протокол, который задает подобный вопрос и получает ответ на него, называется протоколом разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) и описан в RFC 826. Он работает почти на всех устройствах интернета.
Преимущество ARP над файлами конфигурации заключается в его простоте. Системный администратор должен всего лишь назначить каждому компьютеру IP-адрес и решить вопрос с маской подсети. Все остальное сделает ARP.
Затем программное обеспечение протокола IP хоста 1 создает Ethernet-фрейм для E2, помещает в его поле Payload IP-пакет, адресованный 192.32.65.5, и передает его по сети Ethernet. IP- и Ethernet-адреса этого пакета приведены на илл. 5.62. Сетевая карта Ethernet хоста 2 обнаруживает фрейм, замечает, что он адресован ей, считывает его и вызывает прерывание. Ethernet-драйвер извлекает IP-пакет из поля Payload и передает его IP-программе. Эта программа видит, что пакет адресован правильно, и обрабатывает его.
Существует несколько методов повышения эффективности ARP. Во-первых, компьютер, на котором он работает, может запоминать результат преобразования адреса на случай, если ему придется снова связываться с тем же устройством. В следующий раз он найдет нужный адрес в своем кэше, сэкономив на рассылке широковещательного пакета. Скорее всего, хосту 2 понадобится ответить на пакет, что также потребует от него обращения к ARP для определения адреса отправителя. Этого обращения можно избежать, если отправитель включит в ARP-пакет свои IP- и Ethernet-адреса. Когда широковещательный ARP-пакет прибудет на хост 2, пара (192.32.65.7, E1) будет сохранена хостом 2 в ARP-кэше для будущего использования. Более того, эту пару адресов могут сохранить у себя все устройства сети Ethernet.
Чтобы разрешить изменение соответствий адресов, например, если хост использует новый IP-адрес (но Ethernet-адрес остается прежним), записи в ARP-кэше должны устаревать за несколько минут. Существует хороший способ поддержания актуальности информации об адресах в кэше, улучшая производительность. Идея в том, что каждое устройство может рассылать свою пару адресов во время настройки. Обычно эта широковещательная рассылка производится в виде ARP-пакета, запрашивающего свой собственный IP-адрес. Ответа на такой запрос быть не должно, но все устройства могут запомнить эту пару адресов. Это называется добровольным ARP-сообщением (gratuitous ARP). Если ответ все же (неожиданно) придет, это будет означать, что двум компьютерам назначен один и тот же IP-адрес. Они не смогут пользоваться сетью, пока проблема не будет решена системным администратором.
Посмотрим снова на илл. 5.62. Пусть на этот раз хост 1 хочет послать пакет хосту 4 (192.32.63.8) в сети EE. Хост 1 увидит, что IP-адрес получателя не относится к сети CS. Он знает, что такие внешние пакеты нужно передавать на маршрутизатор, который иногда называют шлюзом по умолчанию (default gateway). Принято, что шлюз по умолчанию имеет наименьший адрес сети (198.32.65.1). Но чтобы отправить фрейм на этот маршрутизатор, хост 1 должен знать еще и Ethernet-адрес интерфейса маршрутизатора в сети CS. Поэтому он отправляет широковещательный ARP-пакет для 198.32.65.1 и узнает E3. После этого он отправляет фрейм. Аналогичным образом пакеты передаются от одного маршрутизатора к другому на всем пути до места назначения.
Когда сетевая карта Ethernet получает этот фрейм, она передает пакет на обработку программным средствам IP. По сетевым маскам маршрутизатор понимает, что пакет должен быть доставлен на хост 4 в сети EE. Если ему неизвестен Ethernet-адрес хоста 4, он снова использует ARP, чтобы узнать его. В таблице на илл. 5.62 приведен список Ethernet- и IP-адресов из фреймов сетей CS и EE. Обратите внимание на то, что для одного фрейма в разных сетях Ethernet-адреса меняются, а IP-адреса — нет (так как они указывают на конечную точку во всех объединенных сетях).
