引言
有过网络编程经验的同学知道，在应用层通过网络发送数据时，必须知道接收方的IP地址。但当数据包一层一层封装下去到达数据链路层时，会发现仅仅有IP地址是不够的，因为网络层的数据报文必须封装成帧才能通过物理网络发送，发送方还得有接收方的物理地址（MAC地址）才能完成数据帧的封装。那该怎么办呢，本期要讲的ARP协议就是来解决这个问题的。
什么是ARP协议
ARP协议（Address Resolution Protocol）中文名为地址解析协议，是局域网中将IP地址解析为MAC地址的协议。
上面说到在数据链路层发送方需要得知接收方的MAC地址，ARP协议正好可以将接收方的IP地址转换成MAC地址，这个问题将得到解决。
当设备通过ARP协议解析到目的MAC地址后，会将这个IP地址到MAC地址的映射关系保存起来，后续遇到同样的IP地址时，将直接使用对应的MAC地址，不再通过ARP协议来获得。
ARP适用于IPv4网络；在IPv6网络中，ARP 的功能由邻居发现协议(NDP) 提供。
ARP报文长什么样
ARP报文分为ARP请求和ARP应答报文，报文格式如下。
逐字段解释如下，括号里为该字段所占字节数：
硬件类型(2)：表示硬件地址的类型，值为1表示以太网地址。
协议类型(2)：表示要映射的协议地址类型，值为0x0800即表示IP地址。
硬件地址长度(1)：通常指MAC地址的长度，单位为字节，值为6。
协议地址长度(1)：通常指IP地址的长度，单位为字节，值为4。
操作类型(2)：1表示该报文为ARP请求报文，2表示该报文为ARP响应报文。
发送端硬件地址(6)：发送方设备的MAC地址，在ARP响应报文中，该字段表示请求时IP地址对应的MAC地址。
发送端协议地址(4)：发送方设备的IP地址。
接收端硬件地址(6)：接收方设备的MAC地址，在ARP请求报文中，该字段被忽略（通常为ff:ff:ff:ff:ff:ff）。
接收端协议地址(4)：接收方设备的IP地址。
什么是ARP表
我们通常将ARP协议保存起来的IP地址到MAC地址的对应关系称为ARP表，将每条映射关系称为ARP表项。ARP表在操作系统内核中保存。
ARP表项可以分为动态ARP表项和静态ARP表项两种。
动态ARP表项
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ARP报文更新，可以被静态ARP表项覆盖。当到达老化时间或者接口down时，会删除相应的动态ARP表项。适用于拓扑结构复杂、通信实时性要求高的网络。
静态ARP表项
静态ARP表项通过手工配置和维护，不会被老化，不会被动态ARP表项覆盖。配置静态ARP表项可以增加通信的安全性，指定IP地址的设备在通信时只使用指定的MAC地址，恶意的ARP报文无法进行修改，从而保护了本端设备和对端设备间的正常通信。一般会在网关设备上配置静态ARP表项。
ARP如何进行地址解析
我们看看ARP协议具体如何工作。假设主机A要向主机B发送IP报文，且A和B在同一个网段。
- 主机A先查询自己的ARP表，看看其中是否包含有主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP报文封装成帧，并发送给主机B。
如果主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该IP报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求报文中的接收端协议地址为主机B的IP地址。
我们之前提到
ff:ff:ff:ff:ff:ff的MAC地址为广播地址，所以将接收端硬件地址填成ff:ff:ff:ff:ff:ff，该ARP报文会发送给整个网段。由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求。其他主机收到报文后比较自己的IP地址和ARP请求报文中的接收端协议地址，如果不同则将忽略该请求报文。因此只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。
主机B比较IP地址发现两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。之后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MAC地址。
当接收端硬件地址的值有意义时，ARP报文有具体的发送目标，因此对于这个报文的通信是一对一的，我们称为单播。
主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP报文进行封装后发送出去。
后记
我们本节在讨论ARP工作原理的时候仅假设在同一网段内的情况，不在同一网段时情况其实比较类似，但是由于我们还未涉及到其他网络知识，本期暂且不讲，后续再做补充。
本期讲的内容有点抽象，下次（不一定是下期）结合具体的Linux命令来探究下ARP更深层的知识。
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