1.1 ARP协议概述

ARP全称：Address Resolution Protocol

• 网络设备有数据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，因为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的MAC地址。通过目的IP地址而获取目的MAC地址的过程是由ARP协议来实现的。

1.2 ARP的作用

• 由于发送数据时，必须封装二层帧头，而二层帧头中必须要封装对端的MAC地址，所以必须使用ARP协议来获取对端的MAC地址，封装在二层帧头中。所以，在通信过程中常常开始会丢失一个数据包，这个丢失数据包的时候，就是ARP在请求目的MAC地址的时候。

触发ARP的条件：

• 目标IP地址对应的MAC地址在ARP的缓存表中不存在
  • 在ARP缓存表中存在，不会触发ARP请求

1.3 ARP数据包格式

网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址，ARP报文中包含以下字段：
1. Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网；
2. Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP；
3. Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节；
4. Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP request和ARP reply；

• 1——ARP请求
• 2——ARP响应
• 3——RARP请求
• 4——RARP响应
• 8——反向ARP请求
• 9——反向ARP响应

1. Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址；
   6. Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；
   7. Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP request报文中，该字段值为0；
   8. Destination Protocol Address指的是指接收者的IP地址

常见的硬件类型码

1.4 ARP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。

如何判断：

1. 在ARP缓存表中，有没有，有就已知（不管对错），没有就未知
2. 在未知的情况下，发送ARP Request报文

1.5 ARP请求

• 首先想要与其它设备通信，要先发送一个ARP包来获取对端设备MAC地址，所以在封装的ARP的目的IP中，写入目的的IP地址，在目的MAC地址中，写入全0，ARP类型为Request，然后报文的类型是广播发送，所以交换机收到广播帧后会进行泛洪转发，所以主机B和主机C都会收到该ARP包。

1.6 ARP响应

由于主机C收到了这份泛洪的广播ARP包，拆掉二层帧头，发现三层IP地址找的是自己，所以会进行应答，而ARP包中包含了主机A的IP地址和MAC地址，所以会把这些信息保存在ARP表中。

而主机C有了主机A的地址信息后，还需要返还自己的MAC地址，所以要进行回应，在返还的报文中，ARP的报文类型为Reply，这个报文是以单播发送的，因为主机C已经知道了主机A的MAC地址，而ARP包中插入自己的MAC地址，进行应答。
当主机A收到了主机B的ARP回应后，也会将主机B的MAC地址保存在自己的ARP表项中。

1.7 ARP缓存

网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息，在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获取它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。进了这段有效期，ARP表项会被自动删除。
如果目标设备位于其它网络，则源设备会在ARP缓存表查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。

1.8 ARP代理

• 位于不同网络的网络设备在不配置网关的情况下，能够通过ARP代理实现相互通信。

在上述例子的组网中，主机A需要与主机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。但是，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。

在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由器，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地址来回应该ARP Request。主机A收到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。

1.9 免费ARP

主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立即检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送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，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。

• 当设备接入网络中时，会自动发送3个ARP包，来检测IP地址是否冲突。
• 免费ARP的作用：
  1. 验证IP地址是否冲突：正常情况下不会收到ARP回应，如果收到，则表明本网络中存在与自身IP地址重复的地址。
  2. 用于通告一个新的MAC地址：发送方更换了网卡，MAC地址变化了，为了能够在ARP表项老化前通告所有主机，发送方可以发送一个免费ARP。
  3. 在VRRP备份组中用来通告主备发生变换：发生主备变换后，MASTER路由器会在备份组中发送一个免费ARP报文来通告发生了主备变换。

1.10 RARP（反向ARP）

• 代替映射硬件地址到已知IPV4地址，反向ARP（RARP）可以实现IPv4地址到已知硬件地址的映射。某些设备，如无盘工作站在启动时可能不知道自己启动时的IPv4地址。嵌入这些设备固件的RARP程序可以允许它们发送ARP请求，其中硬件地址为设备的硬件编入地址。RARP服务器将会向这些设备回复相应的IPv4地址。
• RARP在很大程度上正在被动态主机配置协议（DHCP）和自举协议（BOOTP）的拓展协议所替代，不同于RARP，这两种协议都可以提供IPv4地址以外的更多信息，而且还可以跨越本地数据链路。