Introduction to Computer Networking学习笔记（五）：ARP协议（Address Resolution Protocol）

原贴地址：https://blog.csdn.net/djl806943371/article/details/88751893

ARP协议是什么：

在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，链路层接收到上层即网络层提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。ARP要做的就是根据网络层地址（IP地址）来找寻链路层地址（MAC地址）。

两台设备通信示意图：

对上图中的过程进行简单解释：当设备A想给设备B发送数据时，以HTTP的GET请求为例，应用层将GET请求封装发送给传输层，传输层添加TCP包头后发送给网络层，网络层添加IP包头后发送给链路层，链路层通过子网掩码获知设备B与自己不在同一个network下，需要穿过网关与B通信。那么此时链路层添加链路层包头，链路层包头的destination IP为网关左侧网卡IP即192.168.0.1，destination MAC地址为网关左侧网卡地址即0:18:e7:f3:ce:1a。到达网关右侧时，链路层包头改变，destination IP改为设备B的IP，destination MAC地址为B的MAC地址。

以上过程清晰明了，但是存在一个问题：设备A知道自身IP及MAC地址，知道网关IP，但是如何获知网关左侧网卡的MAC地址。这就是ARP要做的事情。

ARP实现过程：

以下图为例：当client需要它所在network内某一IP对应设备的MAC地址时，首先查看自己缓存的IP、MAC映射表，如果能够查询到，则直接发送到对应MAC地址，如果查询不到，则在整个network上发送广播，广播内容包含自己的IP、MAC地址以及目标IP地址，network内所有设备都会收听到广播，所有收到广播的设备都会更新自己的缓存中设备A的IP、MAC地址，同时，发现广播中目的IP与自身IP一致的设备（该例中为网关）会回复发送广播的设备A自己的MAC地址，设备A获知并更新缓存的网关IP及MAC地址。每台设备的缓存都有有效期，超过有效期将会清除缓存。

一条ARP packet内容（如下图）：其中Hardware标明packet发送者链路类型，Protocol标明packet发送者网络协议类型，length标明MAC及IP地址长度，Opcode标明该packet是请求还是回复，下面则是自身IP、MAC地址及目标IP、MAC地址。所有内容以大端顺序存储。

一条请求广播示例：

一条回复示例：

ARP的优点：

要创建自身除外某台设备的IP、MAC映射的唯一方式是收到这台设备的广播或者回复，所以如果某台设备损坏或者退出了这个network群，当过一段时间network内所有设备的缓存过期（几十分钟到几小时）之后，这台设备将在这个network群中消失。这样可以更轻松的debug和寻找问题。

特别注意：

在最初的协议中，回复是单播，但是现在广播也很常见，这样可以更方便的让所有其他设备更新缓存的映射表，并且network中会有很多无端的ARP请求广播，请求不存在的映射，这样也可以方便地让其他所有设备更新映射表。