ARP基本原理

相关概念

ARP报文

ARP报文分为ARP请求报文和ARP应答报文，报文格式如图1所示。

图1 ARP报文格式

Ethernet Address of destination（0–31）和Ethernet Address of destination（32–47）分别表示Ethernet Address of destination字段的前32个比特和后16个比特，Ethernet Address of destination字段的总长度是48比特

ARP报文的长度是42字节。前14字节的内容表示以太网首部，后28字节的内容表示ARP请求或应答报文的内容。ARP报文中相关字段的解释如表1所示。

表1 ARP报文各字段的含义
字段	长度	含义
Ethernet Address of destination	48比特	以太网目的MAC地址。发送ARP请求报文时，为广播的MAC地址：0xFF-FF-FF-FF-FF-FF。
Ethernet Address of sender	48比特	以太网源MAC地址。
Frame Type	16比特	数据的类型。对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。
Hardware Type	16比特	硬件地址的类型。对于以太网，该类型的值为“1”。
Protocol Type	16比特	发送方要映射的协议地址类型。对于IP地址，该值为0x0800。
Hardware Length	8比特	硬件地址的长度。对于ARP请求或应答来说，该值为6。
Protocol Length	8比特	协议地址的长度。对于ARP请求或应答来说，该值为4。
OP	16比特	操作类型。OP的值与操作类型的关系如下： 1表示ARP请求 2表示ARP应答 3表示RARP请求 4表示RARP应答
Ethernet Address of sender	48比特	源MAC地址。这个字段和ARP报文首部的以太网源MAC地址字段是相同的信息。
IP Address of sender	32比特	源IP地址。
Ethernet Address of destination	48比特	目的MAC地址。发送ARP请求报文时，该处填充值为0x00-00-00-00-00-00。
IP Address of destination	32比特	目的IP地址。

ARP表

如果每次主机在向外发送数据报文前都要先发送ARP请求报文，会大幅增加网络的通信量。而且网络上的所有设备都必须接收和处理该ARP请求报文，极大地影响了网络的运行效率。为了解决上述问题，每台主机上都维护着一个ARP表，这是ARP高效运行的关键。在这个ARP表中，存放着最近获得的IP地址和MAC地址之间的映射关系，这种映射关系称为ARP表项。

根据ARP表项的生成方式不同，可以将ARP表项分为动态ARP表项和静态ARP表项。两者的区别仅在于：
- 动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的动态ARP表项更新，也可以被静态ARP表项覆盖。
- 静态ARP表项由网络管理员通过手工配置生成和维护，不会被老化，也不会被动态ARP表项覆盖。
主机在每次发送数据报文前，都会先在ARP表中查找目的IP地址所对应的MAC地址。
- ARP表中有对应的MAC地址时，主机就不会再发送ARP请求报文，而是直接将数据报文发至这个MAC地址。
- ARP表中没有对应的MAC地址时，主机才会发送ARP请求报文，请求目的主机的MAC地址。

逆地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）

当一台主机只知道自己的MAC地址时，可以通过发送和接收RARP报文，找出本设备的IP地址。

网络管理员先在网络中的网关路由设备上创建一个MAC地址和与其对应的IP地址的映射关系。当用户需要对一台新的主机进行配置时，该设备的RARP客户机程序就会向网关路由设备上的RARP服务器请求相应的IP地址。

实现过程

同网段内ARP的实现

以HostA向HostB发送数据报文为例，结合图2详细介绍同网段内ARP是如何实现的。

图2 同网段HostA和HostB之间地址解析的实现过程

HostA查看自己的ARP表，发现没有目的主机HostB的IP地址和MAC地址的映射关系。于是，HostA对外发送ARP请求报文，请求HostB的MAC地址。该ARP请求报文中的源IP地址和源MAC地址为HostA的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址分别为HostB的IP地址和全0的MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为HostA的MAC地址和广播MAC地址。
CE1收到ARP请求报文后，将该报文在本网段内广播。
HostB收到ARP请求报文后，更新自己的ARP表，将HostA的MAC地址添加到ARP表，同时向该ARP请求报文的发送方HostA发送ARP响应报文。该ARP响应报文中的源IP地址和源MAC地址为HostB的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址为HostA的IP地址和MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为HostB的MAC地址和HostA的MAC地址。

由于ARP请求报文的目的IP地址不是设备PE的IP地址，所以PE在收到ARP请求报文后，直接将其丢弃。
CE1收到该ARP响应报文后，将该报文转发给目的主机HostA。
HostA收到ARP响应报文后，更新自己的ARP表，将HostB的MAC地址添加到ARP表中，同时将数据报文发送给HostB。

以HostA向HostC发送数据报文为例，结合图3和图4详细介绍不同网段间ARP是如何实现的。

图3描述了同网段的HostA和PE之间ARP的实现过程。通过这个网段内ARP的实现，HostA可以将数据报文发送到PE。

图3 同网段内HostA和PE之间地址解析的实现过程

HostA查看自己的ARP表，发现没有到达目的主机HostC的默认网关PE的接口Interface1的IP地址和MAC地址的映射关系。于是，HostA对外发送ARP请求报文，请求PE的接口Interface1的MAC地址。该ARP请求报文中的源IP地址和源MAC地址为HostA的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址分别为PE的接口Interface1的IP地址和全0的MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为HostA的MAC地址和广播MAC地址。
CE1收到ARP请求报文后，将该报文在本网段内广播。
网关PE收到ARP请求报文后，更新自己的ARP表，将HostA的MAC地址添加到ARP表，同时向该ARP请求报文的发送方HostA发送ARP响应报文。该ARP响应报文中的源IP地址和源MAC地址为PE的接口Interface1的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址为HostA的IP地址和MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为PE的接口Interface1的MAC地址和HostA的MAC地址。

由于ARP请求报文的目的IP地址不是HostB的IP地址，所以HostB在收到ARP请求报文后，直接将其丢弃。
CE1收到该ARP响应报文后，将该报文转发给目的主机HostA。
HostA收到ARP响应报文后，更新自己的ARP表，将PE的接口Interface1的MAC地址添加到ARP表中，同时将数据报文发送给PE。

图4描述了同网段的PE和HostC之间ARP的实现过程。通过这个网段内ARP的实现，PE可以将数据报文发送给HostC。

图4 同网段内PE和HostC之间地址解析的实现过程

首先，PE通过查询路由表，将数据报文从Interface1发送到Interface2。

PE查看自己的ARP表，发现没有目的主机HostC的IP地址和MAC地址的映射关系。于是，PE发送ARP请求报文，请求HostC的MAC地址。该ARP请求报文中的源IP地址和源MAC地址为PE的接口Interface2的IP地址和MAC地址，目的IP地址和MAC地址分别为HostC的IP地址和全0的MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为PE的接口Interface2的MAC地址和广播MAC地址。
CE2收到ARP请求报文后，将该报文在本网段内广播。
HostC收到ARP请求报文后，更新自己的ARP表，将PE的接口Interface2的MAC地址添加到ARP表，同时向该ARP请求报文的发送方PE发送ARP响应报文。该ARP响应报文中的源IP地址和源MAC地址为HostC的IP地址和MAC地址，目的IP地址和目的MAC地址为PE的接口Interface2的IP地址和MAC地址，以太网源MAC地址和目的MAC地址分别为HostC的MAC地址和PE的接口Interface2的MAC地址。

由于ARP请求报文的目的IP地址不是HostD的IP地址，所以HostD在收到ARP请求报文后，直接将其丢弃。
CE2收到该ARP响应报文后，将该报文发送给目的设备PE。
PE收到ARP响应报文后，更新自己的ARP表，将HostC的MAC地址添加到ARP表中，同时将数据报文发送给HostC。

通过以上两个同网段内ARP的实现，不同网段间的主机HostA和HostC可以进行数据报文的传送。