ARP协议分析

ARP协议简介

ARP全称为“Address Resolution Protocol”（地址解析协议）。其功能是将IP地址解析转换为MAC地址。因为IP地址工作在网络层，MAC地址工作在数据链路层，通常IP地址用于局域网之外的数据转发，而MAC地址用于局域网内的数据通信。当一台主机需要向同一局域网内的另一台主机发送数据时，它虽然知道对方的IP地址，但是最终数据需要以帧的形式在物理网络上传输，这个传输过程依赖于MAC地址，故需要一种机制将目标IP地址翻译成的对应的MAC地址。

为什么不能只用MAC或IP

MAC地址工作在数据链路层，IP地址工作在网络层，它们其实负责的是不同板块的功能。MAC地址负责同一局域网内的数据定位，而IP则负责不同局域网之间的数据定位。如果只用MAC地址，因为MAC地址本身没有分层的结构，路由表将会变得极其庞大而难以管理。

而如果只用IP地址，因为IP地址已经包含了过多功能，在对IP数据包进行处理的时候会相对复杂，且路由器本身成本也更高，相比于使用一台路由器来管理，远不如用一台有硬件级MAC转发电路的交换机来得更为高效和划算，而且这也会导致路由器的角色混乱和性能下降。

ARP工作流程

ARP的工作流程简单讲就是先广播询问，后单播应答。

假设两台设备在同一局域网内，A设备知道B设备的IP地址，但不知道它的MAC地址，此时就可以启动ARP协议：

1. 检查缓存表：主机A先检查自己的ARP缓存表（该缓存表可以避免重复广播），查看是否已有主机B的MAC地址。如果存在，则直接使用该地址构造数据帧。如果不存在，则进入ARP请求过程。
2. 广播ARP请求：主机A在局域网内广播一个ARP请求报文，该报文包含主机A的IP和MAC，以及主机B的IP，而该报文的目标MAC地址设置为FF:FF:FF:FF:FF:FF用于广播，本地广播域内所有设备将会接收到这个请求。
3. 单播ARP响应：只有主机B接收到广播并通过IP地址确定了该广播询问的是自己的MAC地址后，向主机A发送一个单播的ARP应答报文，里面包含了自己的MAC地址。
4. 更新ARP缓存：主机B在接收到ARP请求后，就将主机A的MAC地址存入自己的ARP缓存。主机A在接受到主机B的应答报文后，也将主机B的MAC地址存入自己的ARP缓存。
5. 正常通信：现在双方都知道了对方的MAC地址，就可以开始正常通信了，而在一段时间内，一因为双方ARP缓存都有对方的MAC地址，也无需要再次广播。

ARP报文格式

ARP时一个独立的三层协议，所以ARP报文在数据链路层不需要经过IP协议的封装，而是直接生成自己的报文。ARP报文可以分为ARP请求报文和ARP应答报文两种，但是它们的格式可以统一为同一种格式：

ARP帧格式

ARP报文并非直接在网络层发送和使用的，还需要向下传输到数据链路层，此时需要再次封装。以以太网为例，ARP报文传输到以太网数据链路层后会形成ARP帧，ARP帧是在ARP报文前面添加了一个以太网帧头，以太网帧头如下表所示：