3.7.3、ARP协议（网际层）

地址解析协议 ARP

1、工作原理

在共享总线型的以太网中

为了简单起见：只有各主机所配置的 IP 地址和其网卡上固化的 MAC 地址

假设主机 B 要给主机 C 发送数据包

主机 B 知道主机 C 的 IP 地址，但是不知道 C 的 MAC 地址

• 因此，主机 B 的数据链路层在封装 MAC 帧时，就无法填写目的 MAC 地址字段，进而也就无法构建出要发送的 MAC 帧

实际上，每台主机都会有一个 ARP 高速缓存表

• 其中记录有 IP 地址和 MAC 地址的对应关系

• 例如：主机 A 的 IP 地址与 MAC 地址的对应关系

  

主机 B 要给主机 C 发送数据包时

• 会首先在自己的 ARP 高速缓存表中查找主机 C 的 IP 地址对应的 MAC 地址，但是未找到

  

因此，主机 B 需要发送 ARP 请求报文来获取主机 C 的 MAC 地址

• （通过广播来根据获取目的主机 IP 获取其 MAC 地址）

ARP 请求报文的内容：

• 我的 IP 地址为 $192.168.0.2$
• 我的 MAC 地址为 $00-E0-F9-A3-43-77$
• 我想知道 IP 地址为 $192.168.0.3$ 的主机的 MAC 地址

注意：

• 这里以比较通俗的语言描述其内容，实际上 ARP 地址有具体的格式

• ARP 请求报文封装在 MAC 帧中发送，目的地址为广播地址

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主机 B 发送封装有 ARP 请求报文的广播帧

总线上的其他主机都能收到该广播帧

• 主机 A 的网卡收到该广播帧后，将其交给上层处理

  • 上层的 ARP 进程解析 ARP 请求报文
  • 发现所询问的 IP 地址不是自己的 IP 地址，因此不予理会

• 主机 C 的网卡收到该广播帧后，将其交给上层处理

  • 上层的 ARP 进程解析 ARP 请求报文

  • 发现所询问的 IP 地址正是自己的 IP 地址，需要进行响应

  • 主机 C 首先将 ARP 请求报文中所携带的主机 B 的 IP 地址与 MAC 地址记录到自己的 ARP 高速缓存表中

  • 然后给主机 B 发送 ARP 响应报文，已告知自己的 MAC 地址

ARP 响应报文的内容：

• 我的 IP 地址为 $192.168.0.3$
• 我的 MAC 地址为 $00-0C-CF-B7-4A-82$

注意：

• 这里以比较通俗的语言描述其内容，实际上 ARP 地址有具体的格式

• ARP 响应报文封装在 MAC 帧中发送，目的地址为主机 B 的 MAC 地址

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主机 C 发送封装有 ARP 响应报文的单播帧

总线上的其他主机都能收到该单播帧

• 主机 A 的网卡收到该单播帧后，发现其目的 MAC 地址与自己的 MAC 地址不匹配
  • 直接丢弃该帧
• 主机 C 的网卡收到该广播帧后，发现其目的 MAC 地址就是自己的 MAC 地址（数据链路层）
  • 将其交给上层（网络层）处理
  • 上层的 ARP 进程解析 ARP 响应报文
  • 将其所包含的主机 C 的 IP 地址与 MAC 地址记录到自己的 ARP 高速缓存表中

主机 B 现在可以给主机 C 发送之前想发送的数据包了

ARP 请求的广播帧和 ARP 响应的单播帧是不同的

• 对于请求，每个主机都会接受并检查其 IP 地址是不是自己的 IP 地址
• 对于响应，每个主机会根据 MAC 地址接不接收该帧

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2、ARP 高速缓存表记录类型

ARP 高速缓存表中的每一条记录都有其类型

• 动态

  • 记录是主机自动获取到的，生命周期默认为 $2$ 分钟
  • 当生命周期结束时，该记录将自动删除
  • 原因：IP 地址与 MAC 地址的对应关系并不是永久性的
    • 例如：主机的网卡坏了，当更新新的网卡后，主机的 IP 地址并没有改变，但主机的 MAC 地址改变了

• 静态

  • 用户或网路维护人员手工配置的，不同操作系统下的生命周期不同，
    • 例如：系统重启后不存在或系统重启后依然有效。

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3、APR 的作用范围

主机 H1 是否可以更用 ARP 协议获取到主机 H2 的 MAC 地址？

否定的。

• ARP 协议只能在一段链路或一个网络上使用，而不能跨网络使用

对于本例，ARP 协议的使用是逐段链路进行的

4、说明

除 ARP 请求和响应外，ARP 还有其他类型的报文

• 例如：用于检查 IP 地址冲突的 “ 无故 ARP、免费 ARP(Gratuitous ARP) ” ;

ARP 没有安全验证机制,存在 ARP 欺骗(攻击)问题。

• 因为其他主机给它发送 ARP 请求的广播帧时，都会接受该广播帧，然后返回给自己的 IP 地址和 MAC 地址