6.HCNA-HNTD——ARP协议

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目的MAC地址。通过目的IP地址而获取目的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。

学习目标：
1. 掌握ARP的工作原理
2. 理解ARP缓存表的作用

一台网络设备要发送数据给另一太网络设备时,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,ARP能够通过目的IP地址发现目标设备的MAC地址,从而实现数据链路层的可达性。

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 :
1. Hardware Type表示硬件地址类型,一般为以太网;
2. Protocol Type表示三层协议地址类型,一般为IP;
3. Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度, 单位是字节;
4. Operation Code指定了ARP报文的类型,包括ARP request和ARP reply;
5. Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址;
6. Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址;
7. Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址,在ARP request报文中,该字段值为0;
8. Destination Protocol Address指的是指接收者的IP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。

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。

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。

所有的主机接收到该ARP Request报文后,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。

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表项的老化超时时间缺省为1200秒。

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地址位于不同网络,但是由于主机A未配置网关,所以它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。

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,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。

总结：
1. 网络设备在什么情况下会发送ARP request？
2. 网络设备什么时候会产生免费ARP？
答：
1. 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。
2. 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。