ARP 协议原理

网络

前面介绍网络层和 IP 协议时，有个问题被我们束之高阁——如何由 IP 地址找到与之对应的 MAC 地址呢？

上图是一个由以太网组建的局域网，每台主机都可以通过 IP 协议进行通信。以 ant 向 bee 发送数据为例，ant 将数据封装成一个 IP 包：

注意到 IP 包头部，源地址是 ant ，即 192.168.1.1 ；目的地址是 bee ，即 192.168.1.2 。 IP 协议位于网络层，IP 包必须搭载在以太网帧中，由链路层负责传输到目标主机：

ant 知道自己 eth0 网卡的 MAC 地址是 40:aa:aa:aa:aa:aa ，但它该如何获悉 192.168.1.2 ，也就是 bee 的 MAC 地址呢？前面我们提到过，每台主机内部都有一个映射表，但映射表又从何而来呢？

地址解析原理

其实，主机 ant 可以通过以太网，向网络中的其他主机发出广播，询问 192.168.1.2 这个 IP 的 MAC 地址：

补充一些背景知识，ff:ff:ff:ff:ff:ff 是一个特殊的广播地址，目的地址为 ff:ff:ff:ff:ff:ff 的以太网帧，将被送到以太网中的每一台主机。交换机收到目的地址为 ff:ff:ff:ff:ff:ff 的帧后，也会将它广播到所有端口：

主机 bee 和 cicada 都会接收并处理目的地址为 ff:ff:ff:ff:ff:ff 的广播帧，由此获悉 ant 正在询问 192.168.1.2 的 MAC 地址。主机 bee 定睛一看， 192.168.1.2 不正是它自己吗？因此，bee 向 ant 回复自己的 MAC 地址：

ant 收到 bee 应答的 MAC 地址后，将其保存在一个映射表中。这个映射表就是 ARP 缓存：

下次用到 192.168.1.2 的 MAC 地址时，系统可以从直接从 ARP 缓存中查询，效率更高。

假设 192.168.1.2 后来被分配到其他主机，但 ant 仍缓存旧主机的 MAC 地址，通信肯定乱套了。为保持时效性， ARP 缓存需要设置有效期。当缓存失效后，系统必须重新发起 ARP 查询，并缓存最新结果。

ARP 报文格式

为了让参与地址解析的各方顺利协作，有必要对 请求 和 应答 的格式进行统一规范，这就是 ARP 协议负责范畴。 ARP 协议报文承载在链路层帧中，以太类型为 0x0806 ，它的结构如下图所示：

一个 ARP 报文中有 9 个字段，分别是：

  • 硬件类型（ hardware type ），数据链路层协议类型，例如： 1 表示以太网协议；
  • 协议类型（ protocol type ），网络层协议类型，例如 0x0800 表示 IP 协议；
  • 硬件地址长度（ hardware address length ），数据链路层地址长度，对以太网来说，地址长度为 6 字节；
  • 协议地址长度（ protocol addess length ），网络层地址长度，对 IP 协议来说，地址长度为 4 字节；
  • 操作码（ operation ），报文的操作类型，1 表示 请求 （ request ），2 表示 应答 （ reply ）；
  • 源硬件地址（ sender hardware address ），即发送者的数据链路层地址；
    • 对于 ARP 请求，该字段表示请求发起者的地址；
    • 对于 ARP 应答，该字段表示请求应答者的地址，也就是发起者查找的地址；
  • 源协议地址（ sender protocol address ），即发送者的网络层地址；
  • 目标硬件地址（ target hardware address ），即接收者的数据链路层地址；
    • 对于 ARP 请求，这个字段被忽略；
    • 对于 ARP 应答，这个字段表示请求发起者的地址；
  • 目标协议地址（ target protocol address ），即接收者的网络层地址；
    • 对于 ARP 请求，这个字段就是待查找地址；
    • 对于 ARP 应答，这个字段表示请求发起者的地址；

ARP 协议负责在数据链路层和网络层间进行地址解析，它的报文很简单，也很好理解。

数据链路层协议有很多，包括以太网协议、 PPP 等等；而网络层协议也有很多，包括 IP 协议，IPv6 等等。因此， ARP 报文需要硬件类型和协议类型字段，分别注明数据链路层和网络层协议类型。

不同的协议类型，使用的地址长度也不一样：以 IP 协议为例，它的地址长度为 4 字节；而 IPv6 的地址长度为 16 字节。ARP 报文中两个用于记录地址长度的字段，为报文后面的地址字段切分提供了长度依据。

ARP请求

回到前面的场景，以 ant 解析 192.168.1.2 为例，它需要封装 ARP 请求报文，并广播到整个网络：

注意到，操作码为 1 表示 请求报文 ，源地址填的是 ant 自己的地址，目标硬件地址忽略，目标协议地址填待解析的 IP 地址。 ARP 报文封装在以太网帧中进行广播，目的地址是 ff:ff:ff:ff:ff:ff ，以太类型 0x0806 表明该帧承载的是 ARP 报文。

ARP应答

bee 收到 ARP 请求后，向 ant 应答自己的 MAC 地址，同样需要封装 ARP 报文：

注意到，操作码为 2 表示 应答报文 ，源地址填的是 bee 自己的地址，目标地址填的是 ant 的地址。ARP 应答报文同样封装在以太网帧中发给 ant ，无须广播，目的地址是 40:aa:aa:aa:aa:aa 。

ant 收到应答报文后，即可从源硬件地址字段获得 192.168.1.2 ，也就是 bee 的 MAC 地址。

扩展阅读

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：

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fasionchan 2021-01-28