ARP请求详解

IP地址是不能直接用来进行通信的。这是因为IP地址只是主机在抽象的网络层中的地址。若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，还要传到链路层转变成MAC帧后才能发送到实际的网络上。因此，不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。

由于IP地址有32 bit，而局域网的硬件地址是48bit，因此它们之间不存在简单的映射关系。此外，在一个网络上可能经常会有新的主机加入进来，或撤走一些主机。更换网卡也会使主机的硬件地址改变。可见在主机中应存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还必须能够经常动态更新。地址解析协议ARP很好地解决了这些问题。

每一个主机都设有一个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，这些都是该主机目前知道的一些地址。

如果不使用ARP高速缓存，那么任何一个主机只要进行一次通信，就必须在网络上用广播方式发送ARP请求分组，这就使网络上的通信量大大增加。ARP将已经得到的地址映射保存在高速缓存中，这样就使得该主机下次再和具有同样目的地址的主机通信时，可以直接从高速缓存中找到所需的硬件地址而不必再用广播方式发送ARP请求分组。（详解过程请参考第2页）

ARP将保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间（例如，10～20分钟）。凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。设置这种地址映射项目的生存时间是很重要的。设想有一种情况。主机A和B通信。A的ARP高速缓存里保存有B的物理地址。但B的网卡突然坏了，B立即更换了一块，因此B的硬件地址就改变了。A还要和B继续通信。A在其ARP高速缓存中查找到B原先的硬件地址，并使用该地址向B发送数据帧。但B原先的硬件地址已经失效了，因此A无法找到主机B。但是过了一段时间，A的ARP高速缓存中已经删除了B原先的硬件地址（因为它的存在时间到了），于是A重新广播发送ARP请求分组，又找到了B。

这里需要指出，ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，例如，在TCP/IP详解卷1中，第29页的例子，那么这时就要借助于网络层的协议，配合链路层协议才能将数据报成功的发送到目的主机上。（详解过程请参考第3页）

这里要指出的是，这种从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。

那么就可能会产生这样的问题：既然在网络链路上传送的帧最终是按照硬件地址找到目的主机的，那么为什么我们不直接使用硬件地址进行通信，而是要使用抽象的IP地址并调用ARP来寻找出相应的硬件地址呢？

这个问题必须弄清楚。

由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。但统一的IP地址把这个复杂问题解决了。连接到因特网的主机都拥有统一的IP地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。

设想有两个主机可以直接使用硬件地址进行通信（具体实现方法暂不必管）。再假定其两个主机的网卡都同时坏了，然后又都更换了一块，因此它们的硬件地址也都改变了。这时，这两个主机怎样能够知道对方的硬件地址呢？显然很难。但IP地址是独立于主机或路由器的硬件地址的。硬件地址的改变不会影响使用IP协议的主机的通信。

因此，在虚拟的IP网络上用IP地址进行通信给广大的计算机用户带来很大的方便。