ARP协议

ARP协议的作用

当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到目的MAC地址。通过目的IP地址来获取目的MAC地址的过程就是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的

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ARP协议的位置

ARP协议工作在网络层和数据链路层之间（ARP协议和RARP协议属于MAC帧的上层协议），通常被认为是一个跨两层的协议

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与之类似的，网络层当中的ICMP协议和IGMP协议，这两个协议虽然与IP协议都属于网络层，但这两个协议属于IP的上层协议

ARP协议的数据格式

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硬件类型指链路层的网络类型，1为以太网
协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址
硬件地址长度对于以太网地址为6字节，因为MAC地址是48位的
协议地址长度对于IP地址为4字节，因为IP地址是32位的
op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答

从ARP的数据格式也可以看出，ARP是MAC帧协议的上层协议，ARP数据格式中的前3个字段和最后一个字段对应的就是以太网首部，但由于ARP数据包的长度不足46字节，因此ARP数据包在封装成为MAC帧时还需要补上18字节的填充字段

ARP协议的工作流程

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例如，路由器D要将数据转发给同一局域网当中的主机B，前提是路由器D必须知道主机B的MAC地址，而现在路由器D只知道主机B的IP地址，因此路由器D现在需要向主机B发起ARP请求，然后等待主机B发送ARP应答得知主机B的MAC地址

ARP请求的过程

路由器D首先需要先构建ARP请求

首先，因为路由器D构建的是ARP请求，因此ARP请求当中的op字段设置为1
ARP请求当中的硬件类型字段设置为1，因为当前使用的是以太网通信
ARP请求当中的协议类型设置为0800，因为路由器是要根据主机B的IP地址来获取主机B的MAC地址
ARP请求当中的硬件地址长度和协议地址长度分别设置为6和4，因为MAC地址的长度是48位，IP地址的长度是32位
ARP请求当中的发送端以太网地址和发送端IP地址，对应就是路由器D的MAC地址和IP地址
ARP请求当中的目的以太网地址和目的IP地址，对应就是主机B的MAC地址和IP地址，但由于路由器D不知道主机B的MAC地址，因此将目的以太网地址的二进制序列设置为全1，表示在局域网中进行广播

此时ARP请求构建完成，如下：
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ARP请求构建完成后，为了能将ARP请求发送到以太网当中，还需要将ARP数据包向下交付给MAC帧协议，封装成MAC帧

封装MAC帧报头时，以太网目的地址和以太网源地址，对应分别是主机B和路由器D的MAC地址，但由于路由器D不知道主机B的MAC地址，因此MAC帧报头当中的以太网目的地址的二进制序列也只能设置为全1，表示在局域网中进行广播
因为这里封装的是一个ARP请求数据包，因此MAC帧当中的帧类型字段设置为0806
由于ARP请求数据包的长度只有28字节，不足46字节，因此还需要在MAC帧的有效载荷当中补上18字节的填充字段，最后再对MAC帧进行CRC校验即可

此时ARP请求就被封装成MAC帧了，如下：
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MAC帧封装完毕后，路由器D就可以将封装好的MAC帧以广播的方式发送到局域网当中了。

因为这个MAC帧是以广播的方式发出的，因此局域网当中的每台主机收到这个MAC帧后，都会对该MAC帧进行解包。当这些主机识别到MAC帧当中的帧类型字段为0806后，便知道这是一个ARP的请求或应答的数据包，于是会将MAC帧的有效载荷向上交付给ARP层
当ARP层收到这个数据包后，发现ARP数据包当中的op字段为1，于是判定这是一个ARP请求，然后再提取出ARP数据包当中的目的IP地址字段，虽然局域网当中的所有主机都会将该数据包交给自己的ARP层，但最终只有主机B发现ARP数据包当中的目的IP地址与自己相同，因此只有主机B会对该ARP请求进行应答，而局域网当中的其他主机在识别到ARP数据包当中的目的IP地址与自己不匹配后，就会直接将这个ARP请求报文丢弃

需要注意的是，局域网当中其他不相干的主机在收到这个ARP请求报文后，不是在MAC帧层丢弃的，而是在ARP层发现该ARP数据包的目的IP与自己的IP不匹配后丢弃的。

ARP应答的过程

主机B在应答时首先需要构建ARP应答

首先，因为主机B构建的是ARP应答，因此ARP应答当中的op字段设置为2
ARP应答当中的硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度的值与ARP请求当中设置的值相同
ARP应答当中的发送端以太网地址和发送端IP地址，对应就是主机B的MAC地址和IP地址
ARP应答当中的目的以太网地址和目的IP地址，对应就是路由器D的MAC地址和IP地址，因为路由器D发来的ARP请求当中告知了主机B它的MAC地址和IP地址，因此主机B是知道的

此时ARP应答构建完成，如下：
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ARP应答构建完成后，为了能将ARP应答发送到以太网当中，也需要将ARP数据包向下交付给MAC帧协议，封装成MAC帧

封装MAC帧报头时，以太网目的地址和以太网源地址，对应分别是路由器D和主机B的MAC地址
因为这里封装的是一个ARP应答数据包，因此MAC帧当中的帧类型字段设置为0806
由于ARP应答数据包的长度也只有28字节，不足46字节，因此也需要在MAC帧的有效载荷当中补上18字节的填充字段，最后再对MAC帧进行CRC校验

此时ARP应答就被封装成MAC帧了，如下：
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MAC帧封装完毕后，主机B就可以将封装好的MAC帧发送到局域网当中了。

此时局域网当中的每台主机在底层都能收到这个MAC帧，但局域网当中的不相干的主机，在发现该MAC帧对应的以太网目的地址与自己不同后，就会将该MAC帧丢弃，而不会交付给上层ARP层，最终只有路由器D会将解包后MAC帧的有效载荷向上交付给自己的ARP层
当路由器D的ARP层收到这个数据包后，发现ARP数据包当中的op字段为2，于是判定这是一个ARP应答，然后就会提取出ARP数据包当中的发送端以太网的地址和发送端IP地址，此时路由器D就拿到了主机B的MAC地址

需要注意的是，局域网当中其他不相干的主机在收到这个ARP应答报文后，直接在MAC帧层就丢弃了，并没有将其交付给自己的ARP层