ARP协议

1. ARP协议简介

Address Resolution Protocol，用于建立和维护IPv4（IPv6使用NDP协议）地址和MAC地址的动态映射。在一个局域网中（LAN），数据包通过MAC地址来寻址的（网络层的数据包被封装在二层数据帧中进行传输），但是IPv4是用IP地址来寻址。只知道IP地址，不知道MAC地址，数据包是无法发送（不能寻址）的，这个时候就使用ARP协议获得IP地址对应的MAC地址。

注意ARP协议只在LAN中使用（LAN不仅指192.168之类的私有网络地址，公网地址也是可以组成一个一个LAN的）。那么如果目的IP不在当前LAN中呢，TCP/IP协议族是用来实现多个LAN之间的互联，网关就相当于一个国家（LAN）的海关，一个LAN中的主机发给其他LAN的数据包（货物）首先发给网关，然后网关再把数据包发送出去。所以主机需要做的事情是把数据包发送给网关，网关的IP是已知的，此时ARP协议的工作是已知网关的IP获得网关的MAC地址。

ARP协议要求链路层支持广播

2. ARP协议工作的一般过程

假设现在有一个LAN，LAN的网段是202.117.15.0/24

主机A的IP地址：202.117.15.10，MAC地址00:00:00:00:00:10

主机B的IP地址：202.117.15.11，MAC地址00:00:00:00:00:11

A此时要给B发送一个UDP包（三层包），A不知道B的MAC地址，过程如下：

1． A发送一个ARP request（广播包，目的MAC全1），LAN中的所有主机（不考虑VLAN）都会收到这个ARP request。这个ARP request的内容主要是：哪位小哥的IP地址是202.117.15.11啊，告诉我呗，我的IP地址是202.117.15.10，MAC地址是00:00:00:00:00:11

2． B收到了这个ARP request后，发现ARP request询问的IP地址是自己，B做了N件事:1）更新自己的ARP映射，即把MAC地址00:00:00:00:00:10映射到202.117.15.10上。（不考虑静态映射）。2）给主机A发送ARP reply（单播，A的MAC地址已知），主要内容是：哎呀，Ａ你好啊，我就是你要找的那个B(202.117.15.11)啊，我的MAC地址是00:00:00:00:00:11。其他主机收到这个广播后，会执行步骤1），更新自己的ARP映射（不考虑存在静态映射的情况）

3． A收到B发来的ARP reply，更新自己的ARP映射，即把MAC地址00:00:00:00:00:11映射到202.117.15.11上。

4． 此时A知道了B的MAC地址，B也知道A的MAC地址，于是A和B就可以没羞没臊地聊天了（互相发送三层数据包），只要某个时刻其中一个主机的MAC地址-IP地址映射过期了，就再次重复1到3的过程，然后继续愉快地聊天，一点都不影响兴致呢。

3. ARP包的格式

ARP在OSI七层模型中和TCP/IP四层模型中都被放在了数据链路层（二层），但是又有点像三层的，ARP有ethtype(0x0806),IP的ethtype是0x0800，貌似有称为2.5层的

下面是Ethernet & IPv4网络中的ARP包的格式

ARP包是封装在以太帧中，和IP包在以太帧中的位置是一样一样的

字段说明：

Hardware type: MAC地址类别，Ethernet中该值为1。通常所说的MAC地址，物理地址，数据链路层地址都指的同一个东西，以太网中的MAC地址又成为以太网地址。

Protocol type: 协议地址类别，IPv4网络中该值为0x0800（是的，和ethtype的值是一样的，这不是巧合，用的就是Ethtype的值）

Hardware address length:MAC地址长度，Ethernet中该值为6

Protocol address length:协议地址长度，IPv4中该值为4

Operation: 说明ARP包的类型，request时值为1，reply为2

Sender hardware address 发送者的MAC地址

Sender protocol address:发送者的协议地址（IPv4地址）

Target hardware address:目标MAC地址，ARP request中为广播地址（全1）

Target protocol address:目标协议地址，

发送者会在ARP request中填入自己的MAC地址，IP地址（Sender地址），目标MAC填入二层广播地址，目的IP地址填入询问的IP地址，目标主机收到ARP request后，发送ARP reply包，ARP reply中的Target地址是ARP request的Sender MAC地址和IP地址，ARPreply的Sender地址是主机自己的MAC地址和IP地址。

4. ARP映射的类别和超时时间

C:动态的映射，动态学习获得的，就是通过上述的那个一般过程获得的，一般超时时间为20分钟（RFC1122中规定的）

M:静态的映射，手动静态配置的ARP映射，没有超时时间，但是大多数的实现中ARP reply会更改静态的ARP映射（不管本主机是否发送过ARP request），没有做过这个实验，不清楚替换后的ARP映射是静态的还是动态的。

P:publish，主要用于代理ARP，代理ARP让主机回应（发送ARP reply）不是指向自己IP地址的ARP request，让Sender以为自己是要找的MAC地址。这个现在很少用了

5. Gratuitous ARP

无理由ARP（请无视我的翻译），GratuitousARP是指主机发送一个目标IP为自己IP的ARP request。Gratuitous ARP一般在系统bootstrap（引导程序）时间执行（这里我不太理解，计算不是系统启动时间，只要是网卡启动时应该都会发送的吧）网卡发送一个目标IP为自己ARP request。

这个ARP包主要有两个作用：

1． 主机确定当前网络中是否有主机的IP和自己的IP是一样的。如果这个ARPrequest发出后，收到了ARP reply，说明当前LAN（或者VLAN）有主机用了和本机一样的IP。这个时候系统通常会提醒用户IP地址冲突。如果没有收到ARP reply，说明LAN（或者VLAN）中没有主机和自己IP地址一样。

2． 主机的MAC地址可能发生了变化（比如修改了MAC地址，或者换了网卡）。ARP request可以让LAN(或者VLAN)中所有主机更新ARP request发送者的IP和MAC的映射关系。（静态的ARP映射关系应该不会被ARP reqeust更新，通常只会被ARP reply更新——这个是我根据上下文推测的，还没有试验过）

6. 地址冲突检测（ACD）

Gratuitous ARP发现地址冲突后什么都不能做，只能提示用户发生了地址冲突。所以RFC5227提出了一个新的机制：ACD（Address Conflict Detection）

ACD可以对地址冲突做出反应，ACD定义了ARP probe和ARP announcement两种ARP包（都是ARP request，只是填充内容不太一样）

ARP probe：用于检测IP地址冲突，Sender IP填充为0，填充为0是为了避免对其他主机的ARP cache造成污染（因为可能已经有主机正在使用候选IP地址了，不要影响别人的正常通行嘛），Target IP是候选IP地址（即本机想要使用的IP地址）

ARP announcement：用于昭示天下（LAN）本机要使用某个IP地址了，是一个SenderIP和Traget IP填充的都是本机IP地址的ARP request。这会让LAN(VLAN)中所有主机都会更新自己的ARP cache，将IP地址映射到发送者的MAC地址。

6.1 ACD流程 1． 网卡启动时（或者从睡眠状态恢复，或者链接建立时）会发送一个ARP probe。（为了避免多个网卡同时启动同时发ARP probe造成拥塞，有一个拥塞避免策略，不会立刻发送ARP probe，单个网卡的多个probe也不会连续发送，会有间隔时间）

2． 发送主机可能收到ARP reply或者ARP probe，如果收到了ARP reply，说明候选IP地址已经有主机在用了。如果收到了一个Target IP地址为候选IP的ARPprobe，说明另外一个主机也同时想要使用该候选IP地址。这种情况下，两个主机都会提醒用户出现了IP地址冲突。然后进行地址冲突处理（见后面）

3． 如果上述两种ARP包都没有收到，说明候选IP地址可用。主机发送一个ARP announcement，告诉其他主机这个候选IP有人用了，这个ARP request会让LAN（VLAN）中其他主机更新ARP cache。

4． 系统运行期间，ACD是一直在运行的，这点与Gratuitous ARP不同。主机会一直检测收到的ARP reqeust 和ARP reply，判断Sender IP域是否和本机IP地址一样，如果一样说明有主机也在用这个IP地址了。然后需要进行地址冲突处理。（见下面）

地址冲突处理：《RFC5527》提供了三种可选的解决机制：1）放弃使用该IP地址，2）发送一个ARP announcement来进行IP地址“守卫”，如果冲突仍然继续存在，放弃使用这个IP。3）无视冲突，继续使用这个IP