ARP地址解析协议学习总结
一、
1.ARP（地址解析协议）
用于确定本地可达的IPv4子网使用的IPv4地址对应的硬件地址。它在数据报的目的地与发送方处于同一子网时使用，还用于数据报的目的地不在当前子网时将其转发到一台路由器。ARP缓存是其运行的基础。
提供网络层（IP）地址到相关硬件地址的动态映射。ARP操作会自动执行和随时间变化，与用户或系统管理员无关。
提供了一种在IPv4地址（32位）和各种网络技术使用的硬件地址（以太网的48位MAC地址）之间的映射。
根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。所谓地址解析（address resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。
网络接口IP地址：由用户或网络管理员分配，可按需选择。
IP地址通常从维护附近网络连接点的地址池中获得，在系统启用或配置时分配。
地址解析：发现两个地址之间的映射关系的过程。
2.RARP（提供ARP反向映射的协议）
URL：统一资源定位符 用统一格式来描述各种信息资源，包括文件，服务器地址，目录等。
ARP缓存：该缓存使用地址解析为每个接口维护从网络层（IP）地址到硬件地址（MAC）的最新映射。
当IPv4地址映射到硬件地址时，它对应于高速缓存中的一个条目，其正常到期时间是条目创建开始后的20分钟。
软状态：在超时到达前没有更新而被丢弃的信息。有助于启动自动重新配置。
代理ARP/混杂ARP/ARP黑客：使一个系统（通常是专门配置的路由器）可以回答不同主机的ARP请求。 两个物理网络相互隐藏自己。
免费ARP：一台主机发送ARP请求寻找自己的地址时。
ACD:IPv4地址冲突检测。
二、有关ARP的问题与思考
1.Q:分析ARP数据报（***）
以太网中使用IPv4地址的ARP请求或应答。
1）如果主机A想局域网中广播发送一个ARP请求分组，广播的主要内容是：“我的IP地址是IPA，我的硬件地址是MACA，我要知道IP地址为IPB的主机的硬件地址”。数据帧如下：（结合wireshark抓包分析）
目的以太网地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff （十六进制表达）全1是广播地址，在同一广播域中的所有以太网接口可接受这些帧。
以太网源地址：A的MAC地址
帧类型：2字节的长度或类型，上层协议是ARP（请求或应答）必须为0x0806
硬件类型：1 （以太网）
协议类型：0x0800（表示IP协议 IPv4）
硬件大小：6
协议大小：4
操作字段Op：1（ARP请求）2（ARP应答）3（RARP请求）4（RARP应答）
A的MAC地址
A的IP地址
B的MAC地址
（6字节）
B的IP地址
2）B主机会发现接收端IP地址与自己的IP地址相同，此时B主机会向A主机单播一个响应分组（因为通过A的广播，B知道了A的IP地址和硬件地址），“我的IP是IPB，我的硬件地址是MACB”。
2.Q：ARP解析过程：（***）
A. 当主机x和主机y在同一个网段中时：
1).首先主机x会查找自己的ARP缓存表，而这个表在windows系统中是使用ARP –A命令来进行查看的，如果存在主机y的ip地址与MAC地址之间的映射，那么可以直接使用这个关系中MAC地址对ip数据包进行封装。
2).如果在缓存表中没有找到这个关系，那么主机x以广播的方式发送一个ARP的请求报文，使得本网络中的每一个主机都能收到这个报文，这个ARP报文中，包含主机x的源ip地址和源MAC地址，以及目的ip地址，目的MAC地址中内容是全为f（ff-ff-ff-ff-ff-ff 48位）的广播地址。
3).主机y收到这样的报文后，将主机x发送的ARP的x的ip和MAC的对应关系存入自己的缓存中，同样将构造一个相应的ARP报文，将自己的MAC地址放到报文中，单播会主机x。
4).主机x收到这个相应报文后，将自己的缓存表中添加主机y的MAC地址与ip地址的对应关系，然后进行数据发送。
B.当主机x和主机y不在同一个网段中时：
如果主机x不知道网关的MAC地址，（也就是说在主机x的缓存表中没有网关的MAC地址映射）那么主机x先构造一个ARP的广播的请求报文，请求网关的MAC地址，进而获得网关的MAC与ip的对应关系。
如果主机x的缓存中已经有了网关的MAC地址与ip地址之间的关系了，那么将主机x发给主机y的ARP报文中的目的MAC地址的位置填写网关的MAC地址，发给网关。
如果在网关的ARP缓存表中有y的MAC地址，则网关直接将来自主机x的报文中的目的MAC地址字段填写主机y的MAC地址直接发给主机y。
如果在网关的缓存中不存在主机y的MAC地址，那么网关继续以广播的方式发送一个ARP的请求报文，请求主机y的MAC地址，然后，主机y相应单播回自己的MAC地址，其他主机不响应，这里的过程就是相同的网段中的ARP的建立的过程了。
3.Q：为什么需要ARP请求?
A：IP地址不能直接用来通信。因为IP地址（网络层地址）是主机在抽象的网络层中的地址。若将网络层中传送的数据报交给目的主机，需要传到链路层转变为MAC帧后才能发送到实际网络上（对IP数据包进行帧封装）。在实际网络的链路上传送数据帧时需要使用硬件地址（物理地址）。
全世界各样网络，它们使用不同的硬件地址，直接进行硬件地址交换很复杂。IP地址32位，局域网硬件地址48位，二者不是简单映射关系；网络上不断有新的主机加进；更换网卡会使主机的硬件地址改变；因此需要在主机中存放一个从IP地址到硬件地址（同一局域网）的经常动态更新的映射表（ARP缓存表实时刷新）。每个主机设有ARP高速缓存（ARP cache）：里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。ARP为每一个地址映射项目设置了生存时间。（不是同一局域网，需借助网络层协议和链路层协议将数据报发送到目的主机上）
请求报文是广播 目的MAC地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF
应答报文是单播 目的MAC地址是本机的MAC地址
4.Q：ARP如何应答?
A： 本地主机在局域网中广播ARP请求包（ARP请求数据帧中包含了目的主机的IP地址）----目的主机收到广播报文后进行ARP解析，识别出是询问其硬件地址----目的主机发送ARP应答包（应答帧是单播，应答包里面自己的IP地址及其对应的硬件地址；目的主机会保存请求者的IP与硬件地址）----本地主机收到ARP应答，知道目的主机的硬件地址----为了后续报文转发，本地主机更新ARP缓存或者发送数据。
5.Q：免费ARP使用情况与作用？（**）
A：免费ARP数据包是主机发送ARP查找自己的IP地址。
作用：
1.验证IP是否冲突。
一个主机通过它来确定是否还有一个主机设置了同样的IP地址。发送主机不一定收到此请求的回答。若收到一个回答，表示网络中存在与自身IP同样的主机；若未收到应答，表示本机使用的IP与网络中其他主机不冲突。
- 更换物理网卡。
假设发送ARP的主机改变了物理地址（更换物理网卡）则发送免费ARP请求包（广播）通知网络中其他主机及时更新ARP缓存（接收到ARP请求的主机完成缓存条目更新为ARP请求中发送方的硬件地址），即刷新了同网络段其他终端保存该PC的ARP。
流程：查看主机A的ARP缓存表----改动主机B的MAC地址----查看Wireshark捕获的数据包----查看主机中的ARP缓存表
6.Q：代理ARP使用情况与作用？（**）
A：由中间设备代替其他主机响应ARP请求。一般使用在没有配置默认网关和路由策略的网络上。
若主机配置了默认网关，在查询MAC地址的对象位于局域网外时，可把查询任务交给默认网关。（解决跨局域网的地址查询）流程：主机A 与B不在同一网段，A向网关发送ARP请求（请求报文中目标IP地址为网关的IP地址）----A收到响应报文获得网关MAC地址，A将报文封装发给网关（网关没有B的ARP表项，则广播ARP请求，目标IP地址为B的IP地址。网关收到B的MAC地址将报文发给B。网关有B的ARP表项，则网关直接把报文给主机B）
路由器收到ARP请求时若发现查询的目的IP地址在不同子网，路由器会扮演代理ARP角色代为回答，告诉查询者MAC地址（为接口的MAC地址）。
因为路由器是把局域网广播包限制在该网内，不让扩散，避免造成网络风暴。ARP请求是个广播包，它询问的对象若在同一局域网内就会回答，若查询对象不在同一局域网，那么就需要路由器提供服务：代理ARP.
网络中主机、路由器都有ARP cache时可使用代理ARP.
缺点：1.增加某一网段上ARP流量；2.主机需要更大ARP table处理IP地址到MAC地址的映射；3.安全问题 ARP欺骗；4.不为不使用ARP解析地址的网络来工作；5.不能概括和推广网络拓扑。
7.路由器：是工作在网络层的设备，具有交换机的功能。假设源主机和目的主机之间只需要一个路由器R就可以。源主机发送给目的主机的数据报通过路由器R来转发，源主机需要将路由器的IP地址解析为硬件地址，然后把IP数据报发给路由器R，此时路由器R将目的主机的的IP地址解析为硬件地址，这样也就实现了地址的转换。
8.如何通过地址解析协议根据对方主机的IP地址获取对方主机的MAC地址？
其实地址解析协议ARP就是为网络接口层进行服务的，因为网络接口层进行数据传输的时候才需要对方的MAC地址。然而，我们必须在网络层完成地址解析协议，因为IP地址只对网络层以及以上的层是可见的，对网络层以下的层均是透明的。
有人说，以太网首部的源地址、目的地址和ARP地址应答中的源地址、目的地址是否有重复？答案是否。如果链路层不是以太网，首部还是需要的。