ARP协议

一台网络设备要发送数据给另一太网络设备时必须要知道对方的IP地址。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而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MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取下一跳的MAC地址。IP地址由网络层来提供MAC地址通过ARP协议来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分ARP能够通过目的IP地址发现目标设备的MAC地址从而实现数据链路层的可达性。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 Hardware Type表示硬件地址类型一般为以太网 Protocol Type表示三层协议地址类型一般为IP Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度单位是字节 Operation Code指定了ARP报文的类型包括ARP request和ARP reply Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址 Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址 Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址在ARP request报文中该字段值为0 Destination Protocol Address指的是指接收者的IP地址。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。网络设备一般都有一个ARP缓存ARP CacheARP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报文来获得它。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。过了这段有效期ARP表项会被自动删除。 如果目标设备位于其他网络则源设备会在ARP缓存表中查找网关的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。本例中主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址所以主机A会发送ARP request来获取目的MAC地址。ARP request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时由于主机A不知道主机C的MAC地址所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址其中目的MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。所有的主机接收到该ARP Request报文后会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中然后通过ARP Reply报文进行响应。主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址目标协议地址是主机A的IP地址目的MAC地址是主机A的MAC地址源MAC地址是自己的MAC地址同时Operation Code被设置为reply。ARP Reply报文通过单播传送。主机A收到ARP Reply以后会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。ARP表项的老化超时时间缺省为1200秒。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表如果存在主机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。主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后必须立刻检测其所分配的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。