地址解析协议ARP

设计需求

ARP协议解决的问题就是：在同一个局域网中，解决主机IP地址和硬件地址的映射问题

基本使用原理

当数据在网络中某一条链路传输的时候我们知道目的主机的IP地址，但是不知道硬件地址，ARP协议就是解决这个问题的一个协议，IP协议可以使用ARP协议找到相应的硬件地址

• 因为IP地址和下面的硬件地址没有直接的联系，这个时候就通过一个中间的协议ARP协议进行从网络层到硬件层的一个转化
• 在网络中可能有一些新的主机加入，或者是撤销一些主机，这个时候就硬件地址都可能会改变，所以ARP解决这个问题的方法就是在主机(包括普通主机和路由器)的ARP高速缓冲区中设置了一个从IP地址到硬件地址的一个映射表，映射表中存放的就是各个主机和路由器的IP地址到硬件地址的一个映射关系，局域网中的发送端可以通过这个映射表把报文发送至目标主机

下面的一个图简单看一下ARP协议的使用的位置

具体实现

两种情况

1. 在本局域网中，主机A要向主机B发送报文时，主机A先在自己的映射表中查找有没有主机B的IP地址，如果有，则获取它的B主机硬件地址，再把这个硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网，把该MAC帧发送至B的硬件地址
2. 有可能主机A没有查到主机B的 IP地址，原因可能是主机A或者 是主机B刚刚接入局域网，也可能 是主机A刚刚通电，这个时候它的高速缓冲区的内容还是空的，这个时候通过下面的方式进行查找主机B
   
   • 主机A的ARP进程发送一个请求广播，广播的内容是“我的IP地址时aaaa，硬件地址时a0a0，我想知道IP地址时bbbb的硬件地址”。
   • 这个时候在该局域网里面的所有主机的ARP进程都能接受主机ARP的请求广播
   • 每个主机都检查广播中的IP地址是不是自己的，如果不是则直接忽略这则广播，只有主机B发现广播中的IP地址和自己的IP地址是一样的 ，这个时候主机B就通过单播的方式将自己的请求发送给主机A，单播的内容是“我是主机B,我的IP地址是bbbb，我的硬件地址是bb00”
   • 主机A接受到主机B发送的信息之后将主机B的信息放到自己的映射表中，然后向主机B发送报文

补充机制

ARP的高速缓存中为每个映射地址的项目都会设置一个生存时间（一般是10–20分钟），超过生存时间的映射就会被删除掉。原因是，假设一种情况是主机A中的ARP缓存中有主机B的映射，这个时候主机B可能 有一些故障之类的发生，就需要换各种硬件，这个时候主机B的硬件地址就改变了，那么刚刚的那个映射就没有意义了，所以这个时候需要重新发送 广播来获取主机B的IP地址和硬件地址的映射

ARP优点

设置ARP高速缓存的优点在于，如果不设置映射的话，每次发送数据时候都需要广播一次，这个时候在局域网中的数据通信就大大的增加了

ARP使用的4种基本的情况

1. 发送方是主机，要把IP数据发送至本网络上面的另一台主机，这个时候使用ARP找到目的主机就好
2. 发送方式主机，要把IP数据发送至另一个网络上面的一台主机，这个时候使用ARP找到本网络上面的一个路由器的硬件地址，将 数据发送过去，剩下的交给路由器去做
3. 发送方式路由器，要把IP数据发送 给本网络上面的一台主机，这个时候通过ARP找到该主机的硬件地址即可发送 数据
4. 发送方数路由器，要把IP数据发送给另一个网络上面的主机，这个时候通过ARP找到一个路由器，剩下的事情交给路由器去做

ARP数据报格式

在上文的基础之上，我们具体看看ARP数据的各个字段的内容都是什么，请看下图

- 第一个字段表示MAC目的地址，如果是全f，表示这是一条广播，所在局域网中的所有主机都可以收到这个消息
- 第二个地段表示源地址，即发送方的MAC地址
- 第三个地段是0806表示这个数据报是属于ARP的，如果是0800则表示IP数据报，因为我们这里讲的是ARP数据报，所以这里就是0806。
- 硬件类型：指链路层网络类型，这里为1，表示以太网
- 协议类型：指要转换的地址类型，这里为0x0800，表示IP地址
- 硬件地址长度和协议地址长度：就是使用的硬件的地址长度和使用的IP地址的长度，就是图中的op地段后面的那些地段的长度分别是6和4
- op：op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答
- 发送端MAC地址和发送端IP地址：根据实际内容填写
- 目标MAC地址和目标IP地址：此时的目标MAC地址是空白，因为我这里发送的一个广播，要寻找的就是目标MAC地址，所以此时为空，等待目标主机应答，但是目标IP地址是知道的