地址決議協議ARP

通信時使用了兩個地址：

• IP地址（網路層地址）
• MAC地址（資料鏈路層地址）
  

已經知道了一個機器（主機或者路由器）的IP地址，如何找出其相應的硬體地址？

地址決議協議ARP就是用來解決這樣的問題的：
為了找出這個地址，我們需要進行封裝，封裝是一個自上而下的程序，也就是我們會先封裝IP地址，然后再靠這個ARP協議來將IP地址與目的地址之間產生一個對應關系（映射關系），使得在封裝的時候可以依據這個IP地址去封裝到一個可以轉發我的MAC地址，從而將我的資料運輸出去，
這里的“決議”也就是所謂的“找出”，

地址決議協議ARP要點

不管網路層使用的是什么協議，在實際網路的鏈路上傳輸資料幀的時候，最侄訓是必須使用硬體地址，

每個主機都設有一個ARP高速快取（ARP cache），里面有所在的局域網上的各主機和路由器IP地址到硬體地址的映射表，

那么這個映射關系又怎么去尋找呢？
這個ARP的作業原理大概如下：

• 當主機A預向本局域網上的某個主機B發送IP資料包時，就先在其ARP高速快取中查看有無主機B的IP地址，
• 如果有：就可查出其對應的硬體地址，再將此硬體地址寫入MAC幀，然后通過局域網將該MAC幀發往此硬體地址，
• 如果沒有：ARP行程在本局域網上 廣 播 發 送 一 個 A R P 請 求 分 組 \color{blue}廣播發送一個ARP請求分組 廣播發送一個ARP請求分組，收到 A R P 響 應 分 組 \color{blue}ARP回應分組 ARP響應分組后，將得到的 I P 地 址 到 硬 件 地 址 的 映 射 \color{blue}IP地址到硬體地址的映射 IP地址到硬件地址的映射寫入ARP高速快取，

ARP的集中分類：

• ARP請求分組：包含發送方硬體地址 ｜ 發送方IP地址 ｜ 目 標 方 硬 件 地 址 （ 未 知 時 填 0 ） \color{blue}目標方硬體地址（未知時填0） 目標方硬件地址（未知時填0） ｜ 目標方IP地址
• 本地廣播ARP請求（路由不轉發ARP請求）
• ARP相應分組：包含發送方硬體地址 ｜ 發送方IP地址 ｜ 目標方硬體地址 ｜ 目標方IP地址，
• ARP分組封裝在物理網路的幀中傳輸，
  

比如，當前我在學校A，想寫一封信到學校B，我現在地址是209.0.05，我要給學校B寫信的話，下一步應該由誰，由哪個郵局來接收這封信呢？
我在發起這個詢問的時候，是沒有明確的目的地的，不知道是哪個街道幾號建筑的，所以需要廣播來知道具體的下一步發送地址在哪里，而這個廣播是在本地網路（即本地局域網）中進行的，

這時，有兩種情況，有人回應我和沒有人回應我，

1. 假如有1個人回應我，那么這個人要么就是我要找的那個，要不就是這個人可以替我轉交給目的方，相當于是郵局，那么就可以根據發送方提供的資訊（發送方的IP地址209.0.0.5和MAC地址00-00-C0-15-AD-18）來進行一個1對1的回應，因為接收方（目的地或者郵局）的IP地址（209.0.0.6）和MAC地址（08-00-2B-00-EE-0A）也是齊全的，
2. 如果沒有人知道這個學校B在哪里，就沒有人回答，也就是說這個ARP請求就石沉大海了，

ARP高速快取的作用：

• 存放最近獲得的IP地址到MAC地址到系結，以減少ARP廣播的數量，
• 為了減少網路上的通信量，主機A在發送其ARP請求分組時，就將自己的IP地址到硬體地址的映射寫入ARP請求分組，
• 當主機B收到A的ARP請求分組時候，就將主機A的這一地址映射寫入主機B自己的ARP高速快取中，這對主機B以后向A發送資料報時就更方便了，

應當注意的問題！

• A R P 是 解 決 同 一 個 局 域 網 上 的 主 機 或 路 由 器 的 I P 地 址 和 硬 件 地 址 的 映 射 問 題 \color{blue}ARP是解決\color{red}同一個局域網上\color{blue}的主機或路由器的IP地址和硬體地址的映射問題 ARP是解決同一個局域網上的主機或路由器的IP地址和硬件地址的映射問題
• 如果所要找的主機和源主機不在同一個局域網上，那么 就 要 通 過 A R P 找 到 一 個 位 于 本 局 域 網 上 的 某 個 路 由 器 （ 相 當 于 郵 局 ） 的 硬 件 地 址 \color{red}就要通過ARP找到一個位于本局域網上的某個路由器（相當于郵局）的硬體地址 就要通過ARP找到一個位于本局域網上的某個路由器（相當于郵局）的硬件地址，然后把ARP分組發送給這個路由器，讓這個路由器把ARP分組轉發給下一個網路，剩下的作業就由下一個網路來做，
• 從IP地址到硬體地址的 解 析 是 自 動 進 行 \color{red}決議是自動進行 解析是自動進行的，不需要人工干預，主機的用戶對這種地址決議程序是不知道的，
• 只要主機或路由器要和本網路上的另一個已知IP地址的主機或路由器進行通信，ARP協議就會自動地將該IP地址決議為鏈路層所需要的硬體地址，

使用ARP的四種典型情況：

1. H1 --> H2: H1進行廣播，由于H2就在同一個局域網內，H2直接回應請求，雙方連通，
2. H1 --> H3: H1廣播，然而H3并不和H1在同一局域網內，因此不能直接回應H1的ARP請求，但是路由器R1卻知道H3在哪里，雖然H1不知道H3在哪里，但是R1知道啊！因此R1就立馬給H1一個ARP回應，表示我R1能替你去交付資訊給H3，你去不了網2，我可以去，你只需要將資料發送到我的左介面就可以了，（這里另外需要說明的是，R1的左介面是屬于網1的，右介面屬于網2）這個行為也就是ARP一個典型的代理作業，最終實作將資料從H1轉發到H3， 但 是 在 這 個 過 程 中 ， H 1 所 借 助 的 映 射 關 系 ： I P 地 址 是 H 3 的 ， M A C 地 址 是 路 由 器 R 1 的 左 端 口 \color{blue}但是在這個程序中，H1所借助的映射關系：IP地址是H3的，MAC地址是路由器R1的左埠 但是在這個過程中，H1所借助的映射關系：IP地址是H3的，MAC地址是路由器R1的左端口，顯然這兩個并不是實際上的對應關系，但是他可以在H1所在的網路中實作一次資料交付，然后到了路由器R1之后，路由器R1要將資料發出去的時候，也需要進行一次廣播詢問，而它通過 R 1 的 右 端 口 \color{red}R1的右埠 R1的右端口在網2中問：“H3你在哪兒呀？我這里有一封你的信，”當這個H3收到這個詢問的時候，就給R1的右埠進行回復：“我在這兒呢！你把信發給我就行，”它們之間也形成了聯系，
3. H1 --> H4: 同樣，參考發送給H3的程序，R1的左埠會收到這個請求，那么他的表中會記錄到，我不能直接去網3，因為網3不是連接在我這個路由器上的，但是我知道網3怎么去，但是我只要把這個交給R2，最終就可以去網3了，因此，在知道H1要去H4之后，R1就給H1一個回應：我知道怎么去H4，你把信給我就行了，我會盡最大努力給你交付的，從左埠接收到信后，R1就通過右埠在網2上問：“H4在不在我這個網2上，如果在就把這封信收了，如果不在那么誰能替我轉交給H4誰就把這封信收了，” 這時，R2發現這封信所找的H4所在網3就在它的右埠上，那么它就回復給R1的右埠說：“你只要從你的右埠將信發給我的左埠就行，我替你交”，那么R1就直接給R2，之后就不管了，R2接收到信后，發現信是從H1到H4的，而這個H4就在我的網路內，因此，它的右埠就進行最后一次廣播：“H4在哪里，這里有你的一封信，你快給我一個回答，” 于是H4就發出回答，這一次回答所得到的MAC地址，才是真正的H4的IP地址對應的真實的MAC地址，最后R2就知道了， I P 地 址 是 ： H 1 ? ? > H 4 ； M A C 地 址 是 ： M A C ( R 2 右 端 口 的 ) ? ? > M A C ( H 4 的 ) \color{red}IP地址是：H1 --> H4；MAC地址是：MAC(R2右埠的) --> MAC(H4的) IP地址是：H1??>H4；MAC地址是：MAC(R2右端口的)??>MAC(H4的)，

顯然，路由器這里做了一個ARP代理，

為什么不直接使用硬體地址進行通信？

• 由于全世界存在著各式各樣的網路，它們使用不同的硬體地址，要讓這些異構網路能夠相互通信就必須進行非常復雜的硬體地址轉換作業，因此幾乎是不可能的事，
• IP編制就把這個復雜問題解決了，連接到互聯網的主機只需要個字擁有一個唯一的IP地址，他們之間的通信就像鏈接在一個網路上那樣方便，因為上述的呼叫ARP的復雜程序都是由計算機軟體自動進行的，對用戶來說是看不見這種呼叫程序的，
• 因此，在虛擬的IP網路上用IP地址進行通信給跨網路的廣大的計算機用戶帶來了很大的便利，
  也就是下圖中：
  
  一直是從IP1到IP2，但是MAC地址確是一直在改變的，是物理層上的地址，
  **IP層抽象的互聯網屏蔽了下層很復雜的細節，**在抽象的網路層上討論問題，就能夠使用統一的、抽象的IP地址研究主機和主機或主機和路由器之間的通信，