网工必懂协议之ARP协议原理与应用

• 当网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址来获取目的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。

ARP协议

• 数据链路层在进行数据封装时，需要目的MAC地址。 
• 一个网络设备要发送数据给另一个网络设备时，必须要知道对方的IP地址。但是，仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送，而数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取下一跳的MAC地址。IP地址由网络层来提供，MAC地址通过ARP协议来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分，它能够通过目的IP地址获取目标设备的MAC地址，从而实现数据链路层的可达性。

ARP数据包格式

• ARP报文不能穿越路由器，不能被转发到其他广播域。 
• 网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址。ARP报文中包含以下字段：
• Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网；
• Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP；
• Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节；
• Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP Request和ARP Reply；
• Source Hardware  Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址；
• Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；
• Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP Request报文中，该字段值为0；
• Destination Protocol Address指的是接收者的IP地址。

ARP工作过程

• 主机A发送一个数据包给主机C之前，首先要获取主机C的MAC地址。 
• 通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。

ARP缓存

Host A>arp -a

Internet Address    Physical Address   Type

•  网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。
• 如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。

ARP请求

 

•  本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP Request来获取目的MAC地址。ARP Request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP Request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP Request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。

ARP响应

•  所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。

 

• 主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，目的MAC地址是主机A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同时Operation Code被设置为Reply。ARP Reply报文通过单播传送。

ARP缓存

 

• 主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。

ARP代理

 

• 同一网段、不同物理网络上的计算机之间，可以通过ARP代理实现相互通信 
• 在上述例子的组网中，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址在同一个网段，所以A将会以广播形式发送ARP Request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。
• 在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP Request。主机A收到ARP Reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

免费ARP

• 免费ARP可以用来探测IP地址是否冲突。 
• 主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP Request报文来进行地址冲突检测。
• 主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，且该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP Reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。

本章总结

问：网络设备在什么情况下会发送ARP Request？

答：l源设备在发送数据给目的设备前，会首先查看自身的ARP缓存，查找ARP缓存中是否存在目的设备的IP地址和MAC地址的映射。如果存在则直接使用，如果不存在则会发送ARP Request。

问：网络设备什么时候会产生免费ARP？

答：当网络上的一个设备被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，可以通过免费ARP来检查IP地址是否冲突。