ARP详解

2.4 ARP

如图2-10所示，当网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。如何知道一台主机的IP地址与物理地址的对应关系，就需要用到地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol）协议。

图2-10 ARP协议背景意义

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2.4.1ARP工作过程

通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。比如，当你和张三处于同一个班级，但你并不知道张三是谁；此时你站起来大喊一声：”我是李四，谁是张三？”于是张三回答：”我是张三。”这一过程后张三、李四互相知道对方的位置和姓名。

我们回到ARP的世界，如图2-11所示，其实当一台主机需要访问一个与自己在同一个网络的IP地址但不知道目的主机的物理地址时，它就会发送一个ARP请求报文。由于我们并不清楚目的MAC是什么，所以该报文的目的MAC用广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF来填充。

图2-11 ARP工作过程

当接收者收到该数据帧之后，会转交给自身的ARP程序进行比对，如果发现目的数据帧中目的IP地址正是自身的，就会对发送者做出回应，如不是则会保持沉默；回应报文中会将自身的物理地址，IP地址分别填充至源MAC位置和源IP地址位置。经过这一过程接收者和发送者互相明确了各自物理地址和IP地址的映射关系。

2.4.2 代理ARP

主机A与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它将会以广播形式发送ARP Request报文，请求主机B的MAC地址。我们都知道路由器是隔离广播域的，因此该广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。这种情况下就需要代理ARP，其工作过程如图2-12所示。

图2-12代理ARP工作过程

在路由器上启用代理ARP功能后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址，回应主机A发送的ARP Request请求。主机A收到代理ARP路由器发送的ARP Reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

2.4.3免费ARP

主机被分配了IP地址或者IP地址进行变更后，为了防止该IP地址与网络中其他主机IP地址冲突，主机会通过发送ARP Request报文来进行地址冲突检测。主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，且该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP Reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。