地址解析协议

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地址解析协议（英语：Address Resolution Protocol，缩写：ARP）是一个通过解析网络层地址来找寻数据链路层地址的网络传输协议，它在IPv4中极其重要。ARP最初在1982年的RFC 826（征求意见稿）[1]中提出并纳入互联网标准STD 37。ARP也可能指是在多数操作系统中管理其相关地址的一个进程。

ARP是通过网路地址来定位MAC地址。 ARP已经在很多网络层和数据链接层之间得以实现，包括IPv4、Chaosnet、DECnet和Xerox PARC Universal Packet（PUP）使用IEEE 802标准， 光纤分布式数据接口， X.25，帧中继和异步传输模式（ATM），IEEE 802.3和IEEE 802.11标准上IPv4占了多数流量。

在IPv6中邻居发现协议（NDP）用于代替地址解析协议（ARP）。

基本功能

在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。所谓地址解析（address resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。

另外，当发送主机和目的主机不在同一个局域网中时，即便知道对方的MAC地址，两者也不能直接通信，必须经过路由转发才可以。所以此时，发送主机通过ARP协议获得的将不是目的主机的真实MAC地址，而是一台可以通往局域网外的路由器的MAC地址。于是此后发送主机发往目的主机的所有帧，都将发往该路由器，通过它向外发送。这种情况称为委托ARP或ARP代理（ARP Proxy）。

在点对点链路中不使用ARP，实际上在点对点网络中也不使用MAC地址，因为在此类网络中分别已经获取了对端的IP地址。

数据包结构

地址解析协议的消息格式很简单，仅包含单一的地址解析请求或响应。ARP 消息的长度取决于上下两层地址的大小，上层地址由所使用的网络协议类型（通常是 IPv4）决定，下层地址则由上层协议所使用的硬件或虚拟链路层的类型决定。消息的报头中包含了这些类型以及对应的地址长度信息，此外还包含了表示请求（1）和应答（2）的操作码。数据包的有效负载为收发双方的硬件地址、协议地址，总计四个地址。

为了把IP地址映射到48位以太网地址用于传输，需要一个体现地址转换协议的包格式。

以太网链路层

  • 目标以太网地址：目标MAC地址。FF:FF:FF:FF:FF:FF （二进制全1）为广播地址。
  • 源以太网地址：发送方MAC地址。
  • 帧类型：以太类型，ARP为0x0806。

以太网报文数据

  • 硬件类型：如以太网（0x0001）、分组无线网。
  • 协议类型：如网际协议(IP)（0x0800）、IPv6（0x86DD）。
  • 硬件地址长度：每种硬件地址的字节长度，一般为6（以太网）。
  • 协议地址长度：每种协议地址的字节长度，一般为4（IPv4）。
  • 操作码：1为ARP请求，2为ARP应答，3为RARP请求，4为RARP应答。
  • 源硬件地址：n个字节，n由硬件地址长度得到，一般为发送方MAC地址。
  • 源协议地址：m个字节，m由协议地址长度得到，一般为发送方IP地址。
  • 目标硬件地址：n个字节，n由硬件地址长度得到，一般为目标MAC地址。
  • 目标协议地址：m个字节，m由协议地址长度得到，一般为目标IP地址。

报文格式

长度(位) 48 48 16 16 16 8 8 16 48 32 48 32
数据类型 目标以太网地址 源以太网地址 帧类型 硬件类型 协议类型 硬件地址长度 协议地址长度 操作码 源硬件地址 源协议地址 目标硬件地址 目标协议地址
组成 14字节 以太网首部 28字节 ARP请求/应答

原理

在Windows命令行查看ARP缓存表

在每台安装有TCP/IP协议的电脑或路由器里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一对应的，如下表所示。

主机名称 IP地址 MAC地址
A 192.168.38.10 00-AA-00-62-D2-02
B 192.168.38.11 00-BB-00-62-C2-02
C 192.168.38.12 00-CC-00-62-C2-02
D 192.168.38.13 00-DD-00-62-C2-02
E 192.168.38.14 00-EE-00-62-C2-02
... ... ...

以主机A（192.168.38.10）向主机B（192.168.38.11）发送数据为例。

  1. 当发送数据时，主机A会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到就知道目标MAC地址为（00-BB-00-62-C2-02），直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可。
  2. 如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，主机A就会在网络上发送一个广播（ARP request），目标MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，这表示向同一网段内的所有主机发出这样的询问：“192.168.38.11的MAC地址是什么？”
  3. 网络上其他主机并不响应ARP询问，只有主机B接收到这个帧时，才向主机A做出这样的回应（ARP response）：“192.168.38.11的MAC地址是00-BB-00-62-C2-02”，此回应以单播方式。这样，主机A就知道主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息。同时它还更新自己的ARP高速缓存（ARP cache），下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可。


ARP缓存表采用老化机制，在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可减少缓存表的长度，加快查询速度。

免费ARP（gratuitous ARP），他是指主机发送ARP查询（广播）自己的IP地址，当ARP功能被开启或者是端口初始配置完成，主机向网络发送免费ARP来查询自己的IP地址确认地址唯一可用。作用：

  1. 确定网络中是否有其他主机使用了IP地址，如果有应答则产生错误消息。
  2. 免费ARP可以做更新ARP缓存用，网络中的其他主机收到该广播则在缓存中更新条目，收到该广播的主机无论是否存在与IP地址相关的条目都会强制更新，如果存在旧条目则会将MAC更新为广播包中的MAC。

参考资料

  1. ↑ David C. Plummer. RFC 826, An Ethernet Address Resolution Protocol -- or -- Converting Network Protocol Addresses to 48.bit Ethernet Address for Transmission on Ethernet Hardware. Internet Engineering Task Force, Network Working Group. November 1982 [2017-09-14]. 

另见

外部链接

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