链路层：ARP 协议

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• 地址解析协议 ARP
• ARP 高速缓存
• 地址解析
• ARP 的任务
• 使用 ARP
• 参考资料

地址解析协议 ARP

当我们知道了 IP 地址之后，就可以马上和目的主机进行通信了吗？答案是否定的，因为在链路层中路由器并不知道它的下一跳机子的具体位置在哪里，也就没有办法进行通信了。不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。因此当知道主机的 IP 地址之后，就先要找出其对应的硬件地址。地址解析协议 ARP 可以根据网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

原来还有一个逆地址解析协议 RARP，作用是是只知道自己硬件地址的主机知道它的 IP 地址，但是现在的 DHCP 协议已经包括了它的功能。

ARP 高速缓存

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。形如“< IP address；MAC address；TTL >”，其中 TTL(生存时间) 指的是地址映射有效时间。设置生存时间是很有必要的，因为目的主机的网络适配器可能会更新物理地址，此时若映射永久保存，则源主机就可能永远使用错误的物理地址进行通信。ARP 高速缓存是即插即用的，也就是说它将被自动建立，不需要系统管理员进行配置。

如果没有 ARP 缓存，则任何一台主机只要进行一次通信，就必须在网络上以广播的方式发送 ARP 请求分组，这就会是得网络通信量大大增加。ARP 高速缓存存放最近获得的 IP 地址到 MAC 地址的绑定，以减少 ARP 广播的数量。主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时，因为 ARP 高速缓存就显得更方便了。

地址解析

当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。如没有则 ARP 进程在本局域网上执行以下动作：

1. ARP 进程砸本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组；
2. 本局域网上所有主机运行的 ARP 进程都收到 ARP 请求分组；
3. 目的主机的 IP 地址与 ARP 请求分组要查询的 IP 地址一致，就收下 ARP 请求分组，并向发送方发送ARP 响应分组(其他主机啥都不做)；
4. 收到 ARP 响应分组后，将得到的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 高速缓存。

其中 ARP 请求分组包含发送方硬件地址 / 发送方 IP 地址 / 目标方硬件地址(未知时填 0) / 目标方 IP 地址，ARP 响应分组包含发送方硬件地址 / 发送方 IP地址 / 目标方硬件地址 / 目标方 IP 地址，ARP 分组封装在物理网络的帧中传输。

ARP 的任务

ARP 是解决同一个局域网上，主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器。这个路由器把分组转发给下一个网络，剩下的工作就由下一个网络来做。从 IP 地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。
现在思考一个问题，为什么不直接使用硬件地址进行通信？由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。IP 编址把这个复杂问题解决了，连接到互联网的主机只需各自拥有一个唯一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便。调用 ARP 的复杂过程都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。因此在虚拟的 IP 网络上用 IP 地址进行通信，给广大的计算机用户带来了很大的方便。

使用 ARP

使用 ARP 有以下四种典型情况：

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 找到本网络上另一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

参考资料

《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
《计算机网络 自顶向下方法》 [美] James F.Kurose,Keith W.Ross 著，陈鸣 译，机械工业出版社