以太网协议是目前最流行的通信协议之一。从底层到高层协议家族非常庞大。今天为您介绍一下经常用到却比一定知道的协议。
在链路层上，主机和路由器用他们的物理地址来标志，即48位的物理地址，也是是我们通常所说的网卡地址（MAC地址）。
在网络层上，主机和路由器用逻辑地址来标志，逻辑地址在本地是唯一的，但在全局上不一定。在TCP/IP协议族中称为IP地址，现在常用的版本是IPv4，长度是32位。
因此需要能够将逻辑地址和相应的物理地址之间进行映射，完成这样的映射可以使用静态映射和动态映射。
静态映射：创建一个表，存储逻辑地址和物理地址之间的关联关系。然后将网络上的每个主机都存储这张表。缺点是映射表必须周期的更新，增加了 网络的开销。
动态地址映射，地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP。
地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol），负责完成逻辑地址向物理地址的动态映射，将32位逻辑地址（IP地址）转换为48位的物理地址（MAC地址）。
ARP/RARP在TCP/IP协议族中的位置
ARP是通过一个查找表（ARP缓存）来执行这种转换的。当在ARP缓存中没有找到地址时，则向网络发送一个广播请求，网络上所有的主机和路由器都接收和处理这个ARP请求，但是只有相同IP地址的接收到广播请求的主机或路由器，发回一个ARP应答分组，应答中包含它的IP地址和物理地址，并保存在请求主机的ARP缓存中。其他主机或路由器都丢弃此分组。
ARP/RARP报文封装在以太网帧中的格式
上面图片中两个表格，上面的表格是ARP协议的报文格式，下面的表格是以太网帧格式。ARP/RARP协议是介于链路层和IP层的。
以太网帧格式如上图下面的表格，6个字节的目的地址（目的主机的MAC地址），6个字节的源地址（本机的MAC地址），做个不恰当的比喻，MAC地址可以认为是我们的身份证号，全球唯一。
Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型，而后者定义的是2字节的长度；后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。
帧类型字段为2个字节，802.3中表示数据长度，ETHERNET II中表示帧类型。比如0x0800表示后面的报文是IP协议报文，0x0806表示后面的报文是ARP协议报文。通常小于0x0800表示数据长度。
为了能够同步以太网数据，在目的地址之前有7个字节的前导码和1个字节的帧起始标志。
其串行发送时二进制表示为：10101010_10101010_10101010_10101010_10101010_10101010_10101010(前导码)，10101011（帧起始标志）。但是一定要注意，由于以太网发送数据时先发高字节，同时每个字节的低位先发，所以最终收的的数据应该是0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0xd5。
在以太网（ARP协议只适用于局域网）中，如果本地主机想要向某一个IP地址的主机（路由表中的下一跳路由器或者直连的主机，注意此处IP地址不一定是IP数据报中的目的IP）发包，但是并不知道其硬件地址，此时利用ARP协议提供的机制来获取硬件地址。
具体过程如下：
1) 本地主机在局域网中广播ARP请求，ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址。意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址”。
2) 目的主机的ARP层解析这份广播报文，识别出是询问其硬件地址。于是发送ARP应答包，里面包含IP地址及其对应的硬件地址。
3) 本地主机收到ARP应答后，知道了目的地址的硬件地址，之后的数据报就可以传送了。
点对点链路不使用ARP协议。
由上面的介绍我们知道，当以太网帧结构中帧类型为0x0806时，表示ARP协议。报文格式如下：
硬件类型：2个字节，定义网络类型，以太网是类型1，取值0x0001。也就是说ARP协议不仅仅应用于以太网协议，还可以支持别的链路层协议。
协议类型：2个字节，定义协议类型，对应IPv4协议，值为0x0800。即0x0800表示IP协议。
硬件地址长度：1个字节，定义以字节为单位的物理（硬件）地址长度，如果是以太网，则为6个字节（MAC地址长度）。
协议地址长度：1个字节，定义以字节为单位的逻辑（协议）地址长度，如果是IP协议，则是4个字节（IP地址长度）。
操作类型：2个字节，定义分组的类型，有4中操作类型。
ARP请求 ：0x0001
ARP应答 ：0x0002
RARP请求：0x0003
RARP应答：0x0004
发送端以太网地址（硬件地址）：如果是以太网，则是源主机以太网地址（MAC地址），此处和以太网头中的源地址对应。
发送端IP地址：如果是IP协议，则表示源主机的IP地址。
目的以太网地址：如果是以太网，则是目的以太网地址（MAC地址），和以太网头中的目的地址对应。
目的IP地址：如果是IP协议，则表示源主机要请求硬件地址的IP地址。
对应ARP请求包来说，目的端的硬件地址字段无须填充，其他字段都需要填充。对于ARP回复包来说，所有字段都需要填充。
APR请求包是广播的，但是ARP应答帧是单播的。
对于一个ARP请求来说，除目的地址外的所有其他字段都有填充值，当系统收到一份目的为本机的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个发送端地址分别替换两个目的地址，并把操作字段改为2，最后把它发送回去。
根据以太网协议规定，以太网数据报最小长度是64字节（14字节的以太网头，包含4字节的FCS），而ARP报文数据长度为28字节，这样总长度为46字节，需要在以太网帧结构中的PAD字段填充18个字节，达到以太网数据报最小长度64字节，可填充0。
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作者：卿萃科技ALIFPGA
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