Giao thức ARP, viết tắt của Address Resolution Protocol, là một phương pháp phân giải địa chỉ giữa địa chỉ mạng và địa chỉ datalink. Bạn đã từng nghe đến nó chưa? Nếu chưa, hãy cùng tôi tìm hiểu về giao thức ARP là gì và tại sao nó lại quan trọng trong mạng máy tính.
Table of Contents
1. Đặt vấn đề
Trong mạng máy tính, mỗi máy tính được gán hai địa chỉ:
- Địa chỉ logic: Địa chỉ của các giao thức mạng như IP, IPX,… Địa chỉ này chỉ mang tính tương đối và có thể thay đổi theo nhu cầu người dùng. Địa chỉ logic thường được chia thành hai phần riêng biệt: phần địa chỉ mạng và phần địa chỉ máy. Cách phân chia địa chỉ này giúp tìm kiếm các kết nối mạng dễ dàng hơn.
- Địa chỉ vật lý: Được gọi là địa chỉ MAC (Medium Access Control). Địa chỉ này có độ dài 48 bit và được nhà cung cấp thiết bị gán cho từng thiết bị riêng biệt. Địa chỉ MAC là một địa chỉ “phẳng” và không phân lớp, do đó rất khó sử dụng cho việc định tuyến. Để tiếp xúc với nhau, các thiết bị cần một cơ chế ánh xạ địa chỉ logic (lớp 3) sang địa chỉ vật lý (lớp 2), và đó chính là nhiệm vụ của giao thức ARP.
ARP là giao thức phân giải địa chỉ giữa địa chỉ IP và địa chỉ MAC của thiết bị. Nó giúp các thiết bị trong mạng có thể gửi dữ liệu tới nhau thông qua địa chỉ MAC. Máy gửi sẽ gửi một yêu cầu ARP chứa địa chỉ IP của máy nhận. Tất cả các thiết bị trong mạng cục bộ sẽ nhìn thấy yêu cầu này, nhưng chỉ thiết bị có địa chỉ IP phù hợp mới sẽ trả lời với thông điệp chứa địa chỉ MAC của nó. Khi đó, máy gửi có đủ thông tin để gửi gói tin tới máy nhận.
2. Giao thức ARP là gì?
Giao thức ARP là một phương pháp phân giải địa chỉ động giữa địa chỉ mạng và địa chỉ datalink. Nó hoạt động như sau: một thiết bị IP trong mạng gửi một gói tin yêu cầu (ARP request) broadcast đến toàn bộ mạng với mục đích nhận lại địa chỉ phần cứng (địa chỉ datalink), còn được gọi là địa chỉ MAC của nó.
Giao thức ARP thuộc lớp 2 – Data link layer trong mô hình OSI và là giao thức lớp Link layer trong mô hình TCP/IP. Ban đầu, ARP chỉ được sử dụng trong mạng Ethernet để phân giải địa chỉ IP và địa chỉ MAC. Tuy nhiên, hiện nay ARP đã được ứng dụng rộng rãi và được sử dụng trong những công nghệ tiên tiến khác dựa trên lớp hai.
3. Cách thức hoạt động của ARP
3.1. Hoạt động của ARP trong mạng LAN
Cách thức hoạt động của ARP trong mạng LAN khá đơn giản. Dưới đây là các bước thực thi của giao thức ARP:
Bước 1: Máy gửi kiểm tra thông tin trong bộ nhớ cache. Nếu đã có thông tin ánh xạ giữa địa chỉ IP và địa chỉ MAC của thiết bị nhận, máy gửi có thể tiếp tục yêu cầu gửi dữ liệu.
Bước 2: Máy gửi khởi tạo gói tin yêu cầu ARP (ARP request) với địa chỉ MAC (SHA) và địa chỉ IP (SPA) là địa chỉ của máy gửi, và địa chỉ IP đích (TPA) là địa chỉ IP của máy nhận. Trường địa chỉ MAC đích (THA) sẽ có giá trị toàn 0 để cho biết địa chỉ MAC chưa được xác định.
Bước 3: Gói tin yêu cầu ARP được phát trên toàn bộ mạng (địa chỉ MAC đích của gói tin Ethernet II là địa chỉ MAC quảng bá ff:ff:ff:ff:ff:ff).
Bước 4: Các thiết bị trong mạng nhận được gói tin ARP request và xử lý nó bằng cách kiểm tra trường địa chỉ IP đích. Thiết bị với địa chỉ IP trùng khớp sẽ phản hồi bằng gói tin ARP reply. Thiết bị sẽ đặt địa chỉ MAC của mình vào trường Sender Hardware Address (SHA) và địa chỉ IP của mình vào trường Sender Protocol Address (SPA) trong gói tin ARP reply.
Bước 5: Gói tin ARP reply được gửi unicast từ thiết bị nhận đến thiết bị gửi (địa chỉ MAC đích là địa chỉ MAC của máy gửi). Gói tin này chứa địa chỉ MAC và IP của máy nhận.
Bước 6: Máy gửi nhận được gói tin ARP reply và cập nhật thông tin vào bộ nhớ cache ARP của mình. Từ lần tiếp theo, máy gửi không cần phải yêu cầu ARP nữa.
3.2. Hoạt động của ARP trong môi trường liên mạng
Trong môi trường phức tạp hơn, khi hai mạng hệ thống máy tính được kết nối với nhau thông qua một bộ định tuyến (router), giao thức ARP hoạt động một chút khác biệt.
Máy gửi xem bộ định tuyến như một cầu nối hoặc trung gian để truyền tải dữ liệu. Trước khi truyền tải, máy gửi cần biết địa chỉ IP của bộ định tuyến (địa chỉ cổng mặc định) và nhận thức rằng để truyền dữ liệu tới máy nhận, dữ liệu phải đi qua bộ định tuyến đó.
Quá trình truyền tải dữ liệu được mô tả như sau:
- Máy gửi gửi yêu cầu ARP để tìm địa chỉ MAC của cổng của bộ định tuyến (Gateway) trong mạng LAN của mình.
- Bộ định tuyến nhận được yêu cầu ARP và gửi lại địa chỉ MAC của cổng tương ứng cho máy gửi.
- Máy gửi truyền dữ liệu tới cổng của bộ định tuyến (với địa chỉ MAC đích là địa chỉ MAC của cổng đó và địa chỉ IP đích là địa chỉ IP của máy nhận).
- Bộ định tuyến nhận dữ liệu từ máy gửi và chuyển tiếp qua cổng khác. Trong gói tin dữ liệu, bộ định tuyến chứa địa chỉ IP của máy nhận và gửi yêu cầu ARP để tìm địa chỉ MAC của máy nhận.
- Trên thực tế, ngoài việc sử dụng bảng định tuyến, người ta còn áp dụng phương pháp proxy ARP. Trong trường hợp này, một thiết bị sẽ được ủy quyền để phân giải địa chỉ cho tất cả các thiết bị khác. Điều này giúp giảm tải và tăng hiệu suất cho mạng.
4. Các bản tin ARP và lưu trữ ARP
4.1. Các bản tin ARP
Giao thức ARP sử dụng các bản tin sau:
- ARP probe: Đây là loại bản tin ARP dùng để máy thăm dò xem địa chỉ IP được cấp phép có trùng với địa chỉ IP của máy nào trong cùng mạng hay không. Bạn có thể hiểu đây là bản tin “thăm dò” đến tất cả các máy trạm trong mạng.
- ARP announcement: Bản tin ARP announcement được sử dụng để thông báo về thay đổi địa chỉ IP hoặc địa chỉ MAC của một máy tính trong mạng. Bản tin này được gửi broadcast và những máy tính trong mạng chỉ cần cập nhật thông tin về địa chỉ IP và địa chỉ MAC của máy gửi.
- ARP request: Bản tin ARP request được gửi broadcast để tìm địa chỉ MAC của máy nhận.
- ARP reply: Bản tin ARP reply được gửi từ máy nhận sau khi nhận được ARP request. Bản tin này chứa địa chỉ MAC và IP của máy nhận.
4.2. Lưu trữ ARP (ARP Caching)
Giao thức ARP là một giao thức phân giải địa chỉ động. Quá trình gửi bản tin request và reply tiêu tốn băng thông mạng, do đó người ta đã phát triển cơ chế lưu trữ ARP (ARP Caching) để giảm tải và tăng hiệu suất mạng.
ARP Caching là một cơ chế lưu trữ thông tin ánh xạ giữa địa chỉ hardware (địa chỉ MAC) và địa chỉ IP. Cơ chế này giúp giảm việc gửi bản tin ARP request và reply. Thông tin ánh xạ được lưu trữ trong bộ nhớ cache ARP và được sử dụng cho các truyền tin tiếp theo, từ đó tăng hiệu suất mạng.
Ví dụ: Trong hệ điều hành Windows, bạn có thể sử dụng lệnh “arp -a” trong Command Prompt để xem thông tin trong bộ nhớ cache ARP trên máy tính của mình.
Chính nhờ sự linh hoạt và hiệu quả của giao thức ARP, mạng máy tính có thể hoạt động hiệu quả và thông suốt hơn bao giờ hết.
Đây là bài viết được viết bởi Wiki Fin. Để tìm hiểu thêm thông tin về giao thức ARP và các vấn đề liên quan đến tài chính, hãy truy cập Wiki Fin.