ARP協議

一：引入

當網絡設備要發送數據給另一臺設備時，必須要知道對方的網絡層地址（即IP地址）。IP地址由網絡層來提供，但是僅有IP地址是不夠的，IP數據報文必須封裝成幀才能通過數據鏈路進行發送。數據幀必須包含目的MAC地址，因此發送端還必須獲取到目的MAC地址。通過目的IP地址而獲取目的MAC地址的過程是由ARP協議來實現的。
ARP協議是TCP/IP協議簇中的重要組成部分，ARP能夠通過目的IP地址發現目標設備的MAC地址，從而實現數據鏈路層的可達性。

二：ARP數據包的格式

注意：ARP報文不能穿越路由器，不能被轉發到其他廣播域。
各字段的含義：
Hardware Type表示硬件地址類型，一般為以太網
Protocol Type表示三層協議地址類型，一般為IP
Hardware Length和Protocol Length為MAC地址和IP地址的長度，單位是字節
OPeration Code制定了ARP報文的類型，包括ARP request 和ARP reply
Source Hardware Address 指的是發送ARP報文的設備MAC地址
Source Protocol Address 指的是發送ARP報文的設備IP地址
Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARPrequest報文中，該字段值為0
Destination Protocol Address指的是接受者的IP地址

三：ARP的工作過程

ARP之簡單請求應答
當兩臺計算機在同一個局域網通信，我們以ping命令為例，該命令使用的ICMP協議

PC1依據OSI模型①依次從上至下對數據進行封裝，包括對ICMP Date加IP包頭的封裝，但是到了封裝MAC地址的時候，②PC1首先查詢自己的ARP緩存表，發現沒有IP2和他的MAC地址的映射，這個時候MAC數據幀封裝失敗。我們使用ping命令的時候，是指定PC2的IP2的，計算機是知道目的主機的IP地址，能夠完成網絡層的數據封裝，因為設備通信還需要對方的MAC地址，但是PC1的緩存表里沒有，所以在MAC封裝的時候填入不了目的MAC地址。

那么PC1為了獲取PC2的MAC地址，③PC1要發送詢問信息，詢問PC2的MAC地址，詢問信息包括PC1的IP和MAC地址、PC2的IP地址，這里我們想到一個問題，即使是詢問信息，也是需要進行MAC數據幀的封裝，那這個詢問信息的目的MAC地址填什么呢，規定當目的MAC地址為ff-ff-ff-ff-ff-ff時，就代表這是一個詢問信息，也即使后面我要說的廣播。

PC2收到這個詢問信息后，將這里面的IP1和MAC1（PC1的IP和MAC）添加到本地的ARP緩存表中，然后④PC2發送應答信息，對數據進行IP和MAC的封裝，發送給PC2，因為緩存表里已經有PC1的IP和MAC的映射了呢。這個應答信息包含PC2的IP2和MAC2。PC1收到這個應答信息，理所應當的就獲取了PC2的MAC地址，并添加到自己的緩存表中。

經過這樣交互式的一問一答，PC1和PC2都獲得了對方的MAC地址，值得注意的是，目的主機先完成ARP緩存，然后才是源主機完成ARP緩存。之后PC1和PC2就可以真正交流了。

ARP之廣播請求單播回應

上圖面的圖解是不完全的ARP協議，因為在局域網里邊不會只有兩臺主機，這里就要考慮如何在局域網眾多主機里獲得目的主機的MAC。

和上面的一樣，剛開始PC1并不知道PC2的MAC地址，同樣需要發送ARP請求，但是這個局域網里主機很多，怎么唯獨獲取PC2的MAC呢，①我們想到和一群陌生人交流一樣，可以挨著詢問一遍，這就是我們要說的廣播，首先PC1廣播發送詢問信息（信息和上一張圖介紹的一樣），在這個普通交換機上連接的設備都會受到這個PC1發送的詢問信息。

接下來②需要做的是，所有在這個交換機上的設備需要判斷此詢問信息，如果各自的IP和要詢問的IP不一致，則丟棄，如圖PC3、Route均丟棄該詢問信息，而對于PC2判斷該詢問信息發現滿足一致的要求，則接受，同樣的寫入PC1的IP和MAC到自己的ARP映射表中。

最后，③PC2單播發送應答信息給PC1，告訴PC1自己的IP和MAC地址。

四：ARP代理

上圖中，主機A需要與主機B通信時，目的IP地址與主機的IP地址位于不同網絡，但由于主機A未設置網關，所以他將會以廣播的形式發送ARP Request報文，請求B的MAC地址，但是廣播報文無法被路由器轉發，所以主機B無法收到主機A的請求報文。
在路由器上啟用代理ARP功能，就可以解決這個問題。啟用代理后，路由器接收到這樣的請求，會查找路由表，如果存在主機B的路由表項，路由器會將自己的G0/0/0接口的MAC地址回應該ARP Requestrian。主機A收到ARP Reply后，將一路有油漆的G0/0/0接口MAC地址作為目的MAC地址進行數據轉發。
小結：1如果兩臺主機在同一個網段，則直接發送ARP Request報文就好。
2 如果在不同網段，（1）主機A設置了網關，ARP協議可以正常使用。
（2）主機A沒有設置網關，這種情況下，我們要開啟ARP代理，路由器來重新封裝，轉發報文

五： 免費ARP

主機A將ARP Request 廣播報文中的目的IP地址字段設置為自己的IP地址，該網絡中的所有主機都會接受到此報文。當目的IP地址已經被某一個主機或網管室友是，該主機或網關就會回應ARP reply 報文，通過這種方式主機A就能探測到IP地址沖突了。