ARP地址解析协议

原文地址http://blog.csdn.net/windeal3203/article/details/50672643

概述

　　网络层以上的协议用IP地址来标识网络接口，但以太数据帧传输时，以物理地址来标识网络接口。因此我们需要进行IP地址与物理地址之间的转化。对于IPv4来说，我们使用ARP地址解析协议来完成IP地址与物理地址的转化（IPv6使用邻居发现协议进行IP地址与物理地址的转化，它包含在ICMPv6中）。
　　ARP协议提供了网络层地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之间的动态映射。ARP协议 是地址解析的通用协议

MAC 地址 与 IP地址

　　Mac地址由设备制造商定义/分配，每一个硬件设备都有一个链路层主地址（MAC地址），保存在设备的永久内存中。设备的mac地址不会改变（现在可以进行mac地址伪装）
　　IP地址由用户配置给网络接口， 网络接口的IP地址是可以发生变化的，

ARP协议工作原理

1. 每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 列表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的对应关系。
2. 主机（网络接口）新加入网络时（也可能只是mac地址发生变化，接口重启等）， 会发送免费ARP报文。免费ARP报文会将自己IP地址与Mac地址的映射关系广播给其他主机
3. 网络上的主机接收到免费ARP报文时，会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
4. 某个主机需要发送报文时，首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址，如果有，则直接发送数据，如果没有，就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP 地址，源主机 MAC 地址，目的主机的 IP 地址等。
5. 当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时，首先检查数据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址，如果不是，则忽略该数据包，如果是，则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中，如果已经存在，则覆盖，然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中，告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。
6. 源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包，表示 ARP 查询失败。

ARP缓存

　　ARP高速缓存（即ARP表）是 ARP地址解析协议能够高效运行的关键。
　　我们可以通过arp命令查看arp表：

ARP表中记录了一些IP地址与物理地址的映射。
在arp表中，我们可以看到一个Flags字段，该字段有C、M、P三种取值：
+ C： 表明arp条目为通过ARP请求动态获取，（一般存活时间为20min）
+ M：表明arp条目为手动设置。
+ P： 表示Publish，表示该ARP条目可以用于恢复其他主机的ARP请求。（用于ARP proxy）

ARP 帧

ARP帧以以太帧的形式存在，即ARP消息包含在以太帧中 ，因此包含以太帧的首部和尾部。（这里不考虑802.1p/q等特殊以太帧）。

ARP Request or Reply Message 是ARP帧的核心部分。
首先前面四个字段描述了本ARP帧涉及的硬件类型和协议类型。
Hard Type：指定硬件地址类型， 如值为1表示为以太网地址。
Prot Type ：指定协议地址类型，如0x0800 表示协议地址类型为IPv4地址。该值与以太帧首部的类型字段相同。
Hard Size： 表示硬件地址的大小（单位：字节），如以太网地址为6，
Prot Size ： 表示协议地址的大小（单位：字节）， 如IPv4地址大小为4.

OP ： 表示ARP的消息类型。
+ 1：ARP Request；
+ 2：ARP Reply
+ 3：RARP Request
+ 4：RARP Reply

后面四个字段写入的是一些物理地址和协议地址。不一定全部有值。
对于ARP Request 而言，我们不知道目的MAC地址是什么，因此 Target’s Hardware Address 全部填充为0.

ARP帧的交互

当主机接收到一个针对其协议地址的ARP Request时，它会回应ARP Reply. 该Reply消息内容为：对调sender 和 Target 地址字段，然后将Sender’s Hardware Address（即原来的Target’s Hardware Address ）修改为本机的Hardware Address。另外OP字段有1变为2.

免费ARP 和 地址冲突检测

* 免费ARP* 指的是 主机发送一个ARP请求，求寻找自己的IP地址 。常用在系统引导时，对网络接口进行配置的时候。
免费ARP有两个重要作用
1. 检测网络上是否有其他主机的IP地址与本机相同，即地址冲突检测。
2. 当主机向网络广播免费ARP时，其实她也将自己的IP地址与物理地址的映射关系广播给其他主机了。因此，如果本机的硬件地址发生了变化，其他主机也应该做出相应的更新。