36 张图详解 ARP ：网络世界没有我，你哪也别想去

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初识 ARP

从网络分层上看，我们知道二层网络中，使用 MAC 地址进行传输，MAC 地址做为数据链路层的设备标识符。

三层网络中，使用 IP 地址进行传输，IP 地址做为网络层的设备标识符。

我们还知道，容易记忆的域名，通过 DNS 解析成 IP 地址，有了 IP 地址就可以在网络上找到目的地。

IP 地址通过 ARP ，获得 MAC 地址，有了 MAC 地址才能在物理网络上传输数据。

ARP 是什么呢？

ARP ，是地址解析协议。根据设备的 IP 地址来查询对应 MAC 地址的协议。主机通过 ARP 查询到 MAC 地址后，将在 ARP 缓存表中增加映射表项，即 IP 地址和 MAC 地址的映射表项。

举个栗子：我想去腾讯总部（ IP 地址），但不知道具体位置（ MAC 地址），这时我就可以通过导航软件（ ARP ）找到腾讯大厦。

ARP 原理

ARP 是如何知道 MAC 地址的呢？简单说，ARP 是通过 ARP 请求和 ARP 响应报文确定 MAC 地址的。

假如主机 A 向同一网段上的主机 B 发送数据。主机 A 的 IP 地址为 10.0.0.1 ，主机 B 的 IP 地址为 10.0.0.2 ，主机 C 的 IP 地址为 10.0.0.3 。它们都不知道对方的 MAC 地址。ARP 地址解析过程如下：

主机 A 首先查看自己的 ARP 表（即 ARP 缓存表），确定是否有主机 B 的 IP 地址对应表项。如果有，则直接使用表项中的 MAC 地址进行封装，封装成帧后发送给主机 B 。

如果主机 A 的 ARP 表没有对应的表项，就发送一个广播帧，源 IP 和源 MAC 地址是主机 A ，目的 IP 地址是主机 B ，目的 MAC 地址是广播 MAC 地址，即 FFFF-FFFF-FFFF 。这就是 ARP 请求报文。

ARP 请求是广播报文，同一个网段的所有主机都能收到。只有主机 B 发现报文中的目的 IP 地址是自己，于是主机 B 发送响应报文给主机 A ，源 MAC 地址和源 IP 地址是主机 B ，目的 MAC 地址和目的 IP 地址是主机 A ，这个报文就叫 ARP 响应报文。同时，主机 B 的 ARP 表记录主机 A 的映射关系，即主机 A 的 IP 地址和 MAC 地址的对应关系。

主机 C 也收到了 ARP 请求报文，但目的 IP 地址不是自己，所以不会进行响应。于是主机 C 添加主机 A 的映射关系到 ARP 表，并丢弃 ARP 请求报文。

主机 A 收到 ARP 响应报文后，添加主机 B 的映射关系，同时用主机 B 的 MAC 地址做为目的地址封装成帧，并发送给主机 B 。

如果每发送一个 IP 报文就要进行一次 ARP 请求，来确定 MAC 地址，那将会造成不必要的网络流量，通常的做法是用 ARP 表记录 IP 地址和 MAC 地址的映射关系。主机发送报文时，首先会查看它的 ARP 表，目的是为了确定是否是已知的设备 MAC 地址。如果有，就直接使用；如果没有，就发起 ARP 请求获取。不过，缓存是有一定期限的。ARP 表项在老化时间（ aging time ）内是有效的，如果老化时间内未被使用，表项就会被删除。

ARP 表项分为动态 ARP 表项和静态 ARP 表项：

动态 ARP 表项由 ARP 动态获取，因此在网络通信中，无需事先知道 MAC 地址，只要有 IP 地址即可。如果老化时间内未被使用，表项就会被自动删除。
静态 ARP 表项是手工配置，不会老化。静态 ARP 表项的优先级高于动态 ARP 表项，可以将相应的动态 ARP 表项覆盖。

代理 ARP

ARP 广播报文会被路由器隔离，没有默认网关、网段不同的主机相互通信时，连接这两个网络的路由器可以响应这个 ARP 请求，这个过程叫做代理 ARP（ Proxy ARP ）。

主机 A 与另一个网段的主机 B 通信，主机 A 直接发送 ARP 请求，解析主机 B 的 MAC 地址。运行了代理 ARP 的路由器收到 ARP 请求后，代替主机 A 在 20.0.0.0 网段发出 ARP 请求，解析主机 B 的地址。

主机 B 收到路由器发出的 ARP 请求，发出 ARP 响应报文，告知自己的 MAC 地址是 2222-2222-2222 。路由器收到 ARP 响应后，也向主机 A 发送 ARP 响应，但目的 MAC 地址是与 10.0.0.0 网段连接的端口 MAC 地址是 1010-1010-1010 。主机 A 收到报文后，在 ARP 表中添加 IP 地址是 20.0.0.1 和 MAC 地址是 1010-1010-1010 的映射表项。

因此主机 A 会将所有要发送给主机 B 的数据发送给路由器，路由器再将其转发给主机 B 。反之亦然。

代理 ARP 功能屏蔽了分离的网络，主机不用修改 IP地址和子网掩码就可以和现有的网络互通。让用户使用起来，跟在同一个网络上一样。代理 ARP 使用在主机没有默认网络，或没有任何路由的网络上，通常是那些不支持设定子网掩码的老设备。但代理 ARP 会转发 ARP 广播报文，造成网络效率低，不适合用于大规模网络。

RARP

RARP 是将 ARP 反过来，从设备 MAC 地址获取 IP 地址的一种协议。通常是打印机等小型嵌入式设备接入网络时会用得到。

RARP 原理

使用 RARP 需要搭建一台 RARP 服务器，在服务器上注册设备的 MAC 地址及 IP 地址。

设备插电启动后，广播发送一个请求报文，希望获得 IP 地址应答。目的 MAC 地址是广播地址，源 MAC 地址是自己的物理地址。

RARP 服务器收到 IP 地址请求后，给设备分配一个 IP 地址，并通过响应报文发送给设备。设备收到响应报文后，把 RARP 服务器分配的 IP 地址设置成自己的 IP 地址。

免费 ARP

免费 ARP 是一种特殊的 ARP 请求，它并非通过 IP 找到对应的 MAC 地址，而是当主机启动的时候，发送一个免费 ARP 请求，即请求自己的 IP 地址的 MAC 地址。

与普通 ARP 请求报文的区别在于报文中的目标 IP 地址。普通 ARP 报文中的目标 IP 地址是其它主机的 IP 地址；而免费 ARP 的请求报文中，目标 IP 地址是自己的 IP 地址。

免费 ARP 的作用：

起到一个宣告作用。它以广播的形式将数据包发送出去，不需要得到回应，只为了告诉其它主机自己的 IP 地址和 MAC 地址。
可用于检测 IP 地址冲突。当一台主机发送了免费 ARP 请求报文后，如果收到了 ARP 响应报文，则说明网络内已经存在使用该 IP 地址的主机。
可用于更新其它主机的 ARP 缓存表。如果该主机更换了网卡，而其它主机的 ARP 缓存表仍然保留着原来的 MAC 地址。这时，通过免费的 ARP 数据包，更新其它主机的 ARP 缓存表。