【计算机网络】ARP协议工作原理
地址解析协议ARP
一 发送数据的过程
在学习ARP协议的工作原理之前，我们需要先知道为什么需要ARP协议，它在数据传输过程中有怎样的作用。
以下是计算机网络中发送数据的一个大致过程。
首先要知道，源主机发送数据要经过5层的封装，目的主机接收数据也要经过5层的解封装，中间系统只有低三层，只负责数据传输，数据在中间系统传输时，也要反复进行3层的封装和解封装。
以下是5层模型中发生数据的步骤：
- 应用层有一个文件需要传输，也就是一个数据报文需要传输。
- 传输层将数据报文进行分段，分成多段数据报。
- 网络层拿到数据报，加上首部，封装成IP数据报，再对IP数据报进行分片，以便分组转发，首部应该包含源IP地址和目的IP地址。
- 数据链路层拿到IP数据报，加上首部和尾部（一般是帧检验序列FCS）封装成数据帧，首部应该包含源MAC地址和目的MAC地址。
- 物理层拿到数据帧后，以比特流的形式去传输。
备注：MAC地址，即硬件地址，和IP地址不同的是，IP地址是网络层标志各主机和路由器的地址，而MAC地址是实际的物理地址。
由于每当数据到达链路层，都需要加上源MAC地址和目的MAC地址，所以就需要用到ARP解析协议，去完成下一跳的IP地址到MAC地址的映射，确定下一跳具体走哪，也就是确定下一跳的硬件地址。
二 ARP工作原理
首先要知道，每一台主机都设有一个ARP高速缓存，里面存有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些MAC地址。
当主机A要向本局域网上的某台主机发送IP数据报时，就先在其ARP缓存中查看有无主机B的IP地址，如果有，就在ARP缓存中查找其对应的MAC地址，再把这个MAC地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此MAC地址。
如果ARP缓存中没有该MAC地址，就需要经过以下步骤去获取目的MAC地址。
- ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。ARP请求分组的主要内容为源IP地址和源MAC地址，以及目的IP地址。
- 在本局域网上的所有主机（或路由器）上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。
- 若主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的目的IP地址一致，就收下这个ARP请求分组，并向主机A发送ARP响应分组，同时在这个ARP响应分组中写入自己的MAC地址。
- 主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其高速缓存中写入主机B的IP地址到MAC地址的映射。至此，链路层就可以写入目的MAC地址，封装成MAC帧了。
下面是主机1要向主机3发送数据的过程（主机1和主机3在同一个网络，没有经过路由器）
备注：如果主机之间不在同一个网络，比如上图的主机1和主机5，则在数据传输过程中，需要经过多个路由器转发，可以发现，网络层的源IP地址和目的IP地址通常是保持不变的（NAT的情况可能改变），而链路层的源MAC地址和目的MAC地址是随着传输过程而发生变化的。
三 小结
ARP协议简介
由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。
所以我们需要ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。（解决下一跳走哪的问题）
ARP协议使用过程
检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单薄一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）。
ARP协议4种典型情况
- 主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址；
- 主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址；
- 路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；
- 路由器发给另一个网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。
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