地址解析协议 – ARP

ARP（地址解析协议）的作用是将IPv4地址映射到本地网络中的相应MAC地址，从而确保数据包能够被准确传输到正确的设备。

• 将IP地址转换为MAC地址，以便进行本地通信。
• 仅能在同一广播域内运行（即局域网内）。
• 直接作用于以太网等链路层技术。
• 对于将帧数据正确传输到相关设备来说，这一点非常重要。

重要的ARP术语

ARP缓存

• 这是由某个设备所维护的临时存储表。
• 这些存储设备最近已经解决了IP地址与MAC地址之间的映射问题。
• 通过避免重复的ARP请求，从而减少了网络上的开销。

ARP缓存超时

• 条目在ARP缓存中有效的持续时间。
• 在有效期结束后，该条目会被删除，以避免使用已过期的映射信息。

ARP请求

• 这是一条广播消息，它会被发送到本地网络中的所有设备。
• 提问：“这个IP地址属于谁？”
• 当某个IP地址的MAC地址不在ARP缓存中时，就会使用此语句。

ARP回复/响应

• 这是由拥有所请求IP地址的设备发送的单播消息。
• 包含相应的MAC地址。
• 允许发送方更新其ARP缓存，从而继续进行数据传输。

ARP的类型

ARP主要有四种类型，每种类型适用于不同的场景。

代理ARP

Proxy ARP允许网络设备（通常是路由器）代表位于不同网络段上的另一台主机来响应ARP请求。

• 当主机向本地子网之外的IP地址发送ARP请求时，路由器会回复自己的MAC地址，而不是目标主机的MAC地址。
• 发送主机认为目的地位于同一局域网内，因此将帧转发给路由器。
• 然后，路由器会将数据包转发到实际的目的地。
• Proxy ARP在隐藏网络拓扑结构、支持旧式主机，以及在不修改主机配置的情况下连接不同子网方面非常有用。
• 过度使用Proxy ARP会增加ARP流量，从而让网络故障排除变得更加复杂。

2. 免费的ARP协议

免费的ARP消息，是由某个设备发送的，用于宣告或验证其自身的IP地址与MAC地址之间的映射关系。

• 即使没有任何设备请求该地址，主机仍然会广播自己的IP地址对应的ARP请求或响应。
• 它通常被用来检测网络中的重复IP地址。
• 当设备的MAC地址发生变化时（例如，更换了网络接口卡之后），该功能可以帮助更新其他主机的ARP缓存信息。
• 交换机使用“免费ARP”技术来更新其MAC地址表。
• 这种机制通常在系统启动过程中、IP地址重新分配时，或者在高可用性系统中实现故障转移的场景中被使用。

3. 反向ARP（RARP）

反向地址解析协议（RARP）使得设备能够在仅知道其物理MAC地址的情况下，获取自己的IP地址。

• 该设备会在本地网络中广播一个包含其MAC地址的RARP请求。
• RARP服务器会检查其数据库，然后返回相应的IP地址作为回复。
• 在系统启动过程中，RARP主要被无磁盘的工作站所使用，用于获取网络配置信息。
• 这需要在同一局域网内有一个专门的RARP服务器来提供相应的服务。
• RARP已经不再被使用，取而代之的是一些更高效且可扩展的协议，比如BOOTP和DHCP。

4. 反向ARP（InARP）

逆向地址解析协议（InARP）用于在已知远程设备的数据链路层地址时，确定该设备的IP地址。

• 与标准的ARP不同，InARP在那些使用特定网络协议的网络中运行。虚拟电路而不是通过广播方式进行通信。
• 这种技术通常应用于帧中继和ATM网络中。
• 该设备通过已经建立的虚拟电路发送InARP请求。
• 远程设备会将其IP地址作为响应返回。
• InARP支持在非广播多访问网络环境中实现动态IP地址的发现。

ARP是如何工作的？

ARP的工作原理可以按照以下步骤来解释：

ARP缓存查询

• 发送方首先会检查自己的ARP缓存中是否存在与目标IP地址相对应的记录。
• 如果找到了有效的条目，那么MAC地址就会立即被使用，数据传输也会随之开始。

ARP请求广播

• 如果不存在缓存条目，那么发送方就会生成一份ARP请求。
• 该请求会被广播到本地网络中的所有设备上。

主机对请求的处理

• 局域网上的每台设备都会接收到该ARP请求。
• 每个设备都会将请求的IP地址与自己拥有的IP地址进行比较。

ARP回复传输

• 那个IP地址与请求相匹配的设备会发送一个ARP响应。
• 该回复以单播消息的形式发送，其中包含了设备的MAC地址。

ARP缓存更新

• 在收到回复后，发送方会将IP与MAC的映射信息存储在其ARP缓存中。
• 这个缓存中的条目会被用于后续的通信，直到其过期为止。

ARP消息格式

ARP消息由几个字段组成：

硬件类型 (HTYPE) – 2个字节

• 能够识别数据链路层所使用的硬件类型。
• 对于以太网来说，该数值为1。

协议类型 (PTYPE) – 2个字节

• 指定了正在解析地址的网络层协议。
• 对于IPv4地址来说，其值为0x0800。

硬件地址长度（HLEN）– 1字节

• 表示硬件地址（MAC地址）的长度。
• 对于以太网MAC地址来说，其长度为6个字节。

协议地址长度（PLEN）– 1字节

• 表示协议（IP地址）的长度。
• 对于IPv4地址来说，其长度为4个字节。

操作码（OPER）——2个字节

• 定义了ARP操作的类型。
• 价值1表示一个ARP请求，以及其对应的数值。2表示ARP回复。

发送方硬件地址（SHA）

• 包含发送ARP消息的设备的MAC地址。

发送方协议地址 (Sender Protocol Address, SPA)

• 包含发送ARP消息的设备的IP地址。

目标硬件地址（Target Hardware Address）

• 包含目标设备的MAC地址。
• 在 ARP 请求中，该字段的值为未知，因此被设置为零。而在 ARP 回复中，该字段则会被填充上相应的值。

目标协议地址（TPA）