以太网基础学习（二）——ARP协议

一、什么是MAC地址

        MAC地址（英语：Media Access Control Address），直译为媒体访问控制位址，也称为局域网地址（LAN Address），MAC位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的位址。

        它是网络设备（如计算机、手机、路由器等）在物理层上的唯一身份标识符。它由48位二进制数组成，通常表示为12个十六进制数，每两个数用冒号或短横线隔开。MAC地址是由设备厂商预设的，无法修改，因此可以用来区分不同的网络设备。在局域网中，数据包的传输是根据MAC地址进行路由的。

二、什么是ARP协议

        ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一种网络协议，用于将IP地址转换成MAC地址，以便在网络中传输数据。它可以通过广播方式使网络中的所有主机都能够知道IP地址与MAC地址的对应关系，从而实现网络上的数据通信。

        当主机需要与另一个主机通信时，它会首先向网络中广播一个ARP请求，询问该主机的MAC地址。接收该请求的主机会返回自己的MAC地址，以便发送方能够将数据发送到接收方。ARP协议是IPv4中非常重要的一种协议，它是实现网络通信的关键之一。（注意：ARP 只用于 IPv4 协议中，IPv6 协议使用的是 Neighbor Discovery Protocol，译为邻居发现协议，它被纳入 ICMPv6 中。）

        简而言之，ARP 就是一种解决地址问题的协议，它以 IP 地址为线索，定位下一个应该接收数据分包的主机 MAC 地址。如果目标主机不在同一个链路上，那么会查找下一跳路由器的 MAC 地址。

三、ARP工作流程

        主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；

        主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；

        当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：

• 第1步：根据主机A上的路由器内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
• 第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。
• 第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
• 第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
• 第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

 下面我们通过图片进一步理解一下：

四、ARP帧格式

 

1、MAC头部

        前 14 个字节是 MAC(以太网)头部 ，其余部分由 ARP 协议定义。 ARP 帧的前 8 个字节是通用的，剩余部分用于将 IPv4 协议映射到 48 位的以太网地址。

        首先让我们看看以太网头部，第一个字段是 DST 即目的地址 ，第二个字段是 SRC 即源地址 。这里需要注意一点，对于一个 ARP 请求来说，目的地址字段填充的是以太网地址 ff:ff:ff:ff:ff:ff ，即以太网广播地址，这样在同一个广播域中的每个接口都能收到该帧。第三个字段是长度或类型，此字段占据 2 字节大小，对于 ARP 请求或响应该字段的值一定为 0x0806 。

2、最后 4 个字段的类型和大小

        接下来的 4 个字段指定了最后 4 个字段的类型和大小

        （1）硬件类型字段：硬件地址类型。硬件地址常见的有 MAC 物理地址或者以太网地址，对于以太网，硬件类型字段值为 1 。

        （2）协议类型字段：映射的协议地址类型。对于 IPv4 ，协议类型字段的值为 0x0800 。

        （3）硬件大小字段：硬件地址的字节数。对于以太网中使用 IPv4 地址的 ARP 请求或响应，硬件大小字段的值为 6 。

        （4）协议大小字段：协议地址的字节数。对于以太网中使用 IPv4 地址的 ARP 请求或响应，协议大小字段的值为 4 。

   （5）Op 字段：如果是 ARP 请求，Op = 1，ARP 应答 ，Op = 2，RARP 请求 Op = 3，RARP 应答，Op = 4。

3、发送方和目的的硬件地址和协议地址

        接下来的字段指出了发送方和目的的硬件地址和协议地址。

        （1）发送方硬件地址字段：发送方的以太网 MAC 地址。

        （2）发送方协议地址字段：发送方的 IPv4 地址。

        （3）目的硬件地址字段：目的以太网 MAC 地址。

        （4）目的协议地址字段：目的IPv4 地址。

4、填充字段和FCS

五、ARP 的 4 种典型情况总结

        1、发送方是主机，要把 IP 数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。

        2、发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址，剩下的工作由这个路由器来完成。

        3、发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。

        4、发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址，剩下的工作由这个路由器来完成。