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title: ARP 协议详解(网络层)
category: 计算机基础
tag:
  - 计算机网络
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每当我们学习一个新的网络协议的时候，都要把他结合到 OSI 七层模型中，或者是 TCP/IP 协议栈中来学习，一是要学习该协议在整个网络协议栈中的位置，二是要学习该协议解决了什么问题，地位如何？三是要学习该协议的工作原理，以及一些更深入的细节。

**ARP 协议**，可以说是在协议栈中属于一个**偏底层的、非常重要的、又非常简单的**通信协议。

开始阅读这篇文章之前，你可以先看看下面几个问题：

1.  **ARP 协议在协议栈中的位置？** ARP 协议在协议栈中的位置非常重要，在理解了它的工作原理之后，也很难说它到底是网络层协议，还是链路层协议，因为它恰恰串联起了网络层和链路层。国外的大部分教程通常将 ARP 协议放在网络层。
2.  **ARP 协议解决了什么问题，地位如何？** ARP 协议，全称 **地址解析协议（Address Resolution Protocol）**，它解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题。因为一个 IP 数据报在物理上传输的过程中，总是需要知道下一跳（物理上的下一个目的地）该去往何处，但 IP 地址属于逻辑地址，而 MAC 地址才是物理地址，ARP 协议解决了 IP 地址转 MAC 地址的一些问题。
3.  **ARP 工作原理？** 只希望大家记住几个关键词：**ARP 表、广播问询、单播响应**。

## MAC 地址

在介绍 ARP 协议之前，有必要介绍一下 MAC 地址。

MAC 地址的全称是 **媒体访问控制地址（Media Access Control Address）**。如果说，互联网中每一个资源都由 IP 地址唯一标识（IP 协议内容），那么一切网络设备都由 MAC 地址唯一标识。

![路由器的背面就会注明 MAC 位址](./images/arp/2008410143049281.png)

可以理解为，MAC 地址是一个网络设备真正的身份证号，IP 地址只是一种不重复的定位方式（比如说住在某省某市某街道的张三，这种逻辑定位是 IP 地址，他的身份证号才是他的 MAC 地址），也可以理解为 MAC 地址是身份证号，IP 地址是邮政地址。MAC 地址也有一些别称，如 LAN 地址、物理地址、以太网地址等。

> 还有一点要知道的是，不仅仅是网络资源才有 IP 地址，网络设备也有 IP 地址，比如路由器。但从结构上说，路由器等网络设备的作用是组成一个网络，而且通常是内网，所以它们使用的 IP 地址通常是内网 IP，内网的设备在与内网以外的设备进行通信时，需要用到 NAT 协议。

MAC 地址的长度为 6 字节（48 比特），地址空间大小有 280 万亿之多（$2^{48}$），MAC 地址由 IEEE 统一管理与分配，理论上，一个网络设备中的网卡上的 MAC 地址是永久的。不同的网卡生产商从 IEEE 那里购买自己的 MAC 地址空间（MAC 的前 24 比特），也就是前 24 比特由 IEEE 统一管理，保证不会重复。而后 24 比特，由各家生产商自己管理，同样保证生产的两块网卡的 MAC 地址不会重复。

MAC 地址具有可携带性、永久性，身份证号永久地标识一个人的身份，不论他到哪里都不会改变。而 IP 地址不具有这些性质，当一台设备更换了网络，它的 IP 地址也就可能发生改变，也就是它在互联网中的定位发生了变化。

最后，记住，MAC 地址有一个特殊地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF（全 1 地址），该地址表示广播地址。

## ARP 协议工作原理

ARP 协议工作时有一个大前提，那就是 **ARP 表**。

在一个局域网内，每个网络设备都自己维护了一个 ARP 表，ARP 表记录了某些其他网络设备的 IP 地址-MAC 地址映射关系，该映射关系以 `<IP, MAC, TTL>` 三元组的形式存储。其中，TTL 为该映射关系的生存周期，典型值为 20 分钟，超过该时间，该条目将被丢弃。

ARP 的工作原理将分两种场景讨论：

1. **同一局域网内的 MAC 寻址**；
2. **从一个局域网到另一个局域网中的网络设备的寻址**。

### 同一局域网内的 MAC 寻址

假设当前有如下场景：IP 地址为`137.196.7.23`的主机 A，想要给同一局域网内的 IP 地址为`137.196.7.14`主机 B，发送 IP 数据报文。

> 再次强调，当主机发送 IP 数据报文时（网络层），仅知道目的地的 IP 地址，并不清楚目的地的 MAC 地址，而 ARP 协议就是解决这一问题的。

为了达成这一目标，主机 A 将不得不通过 ARP 协议来获取主机 B 的 MAC 地址，并将 IP 报文封装成链路层帧，发送到下一跳上。在该局域网内，关于此将按照时间顺序，依次发生如下事件：

1. 主机 A 检索自己的 ARP 表，发现 ARP 表中并无主机 B 的 IP 地址对应的映射条目，也就无从知道主机 B 的 MAC 地址。

2. 主机 A 将构造一个 ARP 查询分组，并将其广播到所在的局域网中。

   ARP 分组是一种特殊报文，ARP 分组有两类，一种是查询分组，另一种是响应分组，它们具有相同的格式，均包含了发送和接收的 IP 地址、发送和接收的 MAC 地址。当然了，查询分组中，发送的 IP 地址，即为主机 A 的 IP 地址，接收的 IP 地址即为主机 B 的 IP 地址，发送的 MAC 地址也是主机 A 的 MAC 地址，但接收的 MAC 地址绝不会是主机 B 的 MAC 地址（因为这正是我们要问询的！），而是一个特殊值——`FF-FF-FF-FF-FF-FF`，之前说过，该 MAC 地址是广播地址，也就是说，查询分组将广播给该局域网内的所有设备。

3. 主机 A 构造的查询分组将在该局域网内广播，理论上，每一个设备都会收到该分组，并检查查询分组的接收 IP 地址是否为自己的 IP 地址，如果是，说明查询分组已经到达了主机 B，否则，该查询分组对当前设备无效，丢弃之。

4. 主机 B 收到了查询分组之后，验证是对自己的问询，接着构造一个 ARP 响应分组，该分组的目的地只有一个——主机 A，发送给主机 A。同时，主机 B 提取查询分组中的 IP 地址和 MAC 地址信息，在自己的 ARP 表中构造一条主机 A 的 IP-MAC 映射记录。

   ARP 响应分组具有和 ARP 查询分组相同的构造，不同的是，发送和接受的 IP 地址恰恰相反，发送的 MAC 地址为发送者本身，目标 MAC 地址为查询分组的发送者，也就是说，ARP 响应分组只有一个目的地，而非广播。

5. 主机 A 终将收到主机 B 的响应分组，提取出该分组中的 IP 地址和 MAC 地址后，构造映射信息，加入到自己的 ARP 表中。

![](./images/arp/arp_same_lan.png)

在整个过程中，有几点需要补充说明的是：

1. 主机 A 想要给主机 B 发送 IP 数据报，如果主机 B 的 IP-MAC 映射信息已经存在于主机 A 的 ARP 表中，那么主机 A 无需广播，只需提取 MAC 地址并构造链路层帧发送即可。
2. ARP 表中的映射信息是有生存周期的，典型值为 20 分钟。
3. 目标主机接收到了问询主机构造的问询报文后，将先把问询主机的 IP-MAC 映射存进自己的 ARP 表中，这样才能获取到响应的目标 MAC 地址，顺利的发送响应分组。

总结来说，ARP 协议是一个**广播问询，单播响应**协议。

### 不同局域网内的 MAC 寻址

更复杂的情况是，发送主机 A 和接收主机 B 不在同一个子网中，假设一个一般场景，两台主机所在的子网由一台路由器联通。这里需要注意的是，一般情况下，我们说网络设备都有一个 IP 地址和一个 MAC 地址，这里说的网络设备，更严谨的说法应该是一个接口。路由器作为互联设备，具有多个接口，每个接口同样也应该具备不重复的 IP 地址和 MAC 地址。因此，在讨论 ARP 表时，路由器的多个接口都各自维护一个 ARP 表，而非一个路由器只维护一个 ARP 表。

接下来，回顾同一子网内的 MAC 寻址，如果主机 A 发送一个广播问询分组，那么 A 所在子网内的所有设备（接口）都将不会捕获该分组，因为该分组的目的 IP 地址在另一个子网中，本子网内不会有设备成功接收。那么，主机 A 应该发送怎样的查询分组呢？整个过程按照时间顺序发生的事件如下：

1. 主机 A 查询 ARP 表，期望寻找到目标路由器的本子网接口的 MAC 地址。

   目标路由器指的是，根据目的主机 B 的 IP 地址，分析出 B 所在的子网，能够把报文转发到 B 所在子网的那个路由器。

2. 主机 A 未能找到目标路由器的本子网接口的 MAC 地址，将采用 ARP 协议，问询到该 MAC 地址，由于目标接口与主机 A 在同一个子网内，该过程与同一局域网内的 MAC 寻址相同。

3. 主机 A 获取到目标接口的 MAC 地址，先构造 IP 数据报，其中源 IP 是 A 的 IP 地址，目的 IP 地址是 B 的 IP 地址，再构造链路层帧，其中源 MAC 地址是 A 的 MAC 地址，目的 MAC 地址是**本子网内与路由器连接的接口的 MAC 地址**。主机 A 将把这个链路层帧，以单播的方式，发送给目标接口。

4. 目标接口接收到了主机 A 发过来的链路层帧，解析，根据目的 IP 地址，查询转发表，将该 IP 数据报转发到与主机 B 所在子网相连的接口上。

   到此，该帧已经从主机 A 所在的子网，转移到了主机 B 所在的子网了。

5. 路由器接口查询 ARP 表，期望寻找到主机 B 的 MAC 地址。

6. 路由器接口如未能找到主机 B 的 MAC 地址，将采用 ARP 协议，广播问询，单播响应，获取到主机 B 的 MAC 地址。

7. 路由器接口将对 IP 数据报重新封装成链路层帧，目标 MAC 地址为主机 B 的 MAC 地址，单播发送，直到目的地。

![](./images/arp/arp_different_lan.png)
