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ARP概述
ARP协议的定义
地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)
：ARP协议可以将IPv4地址(一种
逻辑地址
)转换为各种网络所需的
硬件地址(一种物理地址)
。换句话说，所谓的地址解析的目标就是
发现逻辑地址与物理地址的映射关系
。 ARP仅用于IPv4协议，IPv6使用
邻居发现协议
(NDP)替代。
ARP协议目前最广泛应用于
寻找32位IPv4地址与以太网的48位MAC地址之间的映射
。
掌握ARP协议前，需要理解什么是逻辑地址和物理地址。
物理地址
物理地址
：物理地址对于主机就类似身份证对于人类。对于每个网络适配器，设置制造商都会给定一个永久的物理地址，将其存储在设备的永久性内存中。就像身份证一样，
物理地址就是网络适配器的ID
。注意，物理地址是和网络适配器绑定的，如果主机更换了网络适配器，那么它的物理地址也会相应改变。(虽然网络适配器的物理地址是固定的，但也可以通过特殊方法修改，但这种情况极少出现，不影响我们理解)
在TCP/IP分层体系结构中，数据链路层和物理层使用的地址是物理地址。而网络层、传输层和应用层使用的地址是IP地址(逻辑地址)。
逻辑地址
逻辑地址
：逻辑地址就是我们常说的IP地址，因为IP地址是由软件实现的，所以把它称为逻辑地址。IP地址是不固定的，它通常从某个网络的IP地址池中获得，改变网络环境，IP地址就会改变。
为什么需要2级地址
分组进行传输必须要2级地址：逻辑地址和物理地址。
IP地址和物理地址是在不同的层次下运行的。同一个目的IP地址可能经过多段链路，每段链路都可能运行不同的链路层和物理层协议，它们的物理地址格式可能都截然不同；同理，同一段链路可能接收来自不同的网络层协议，比如IPv4或者IPX。
有人可能觉得，直接用物理地址替代IP地址不就行了么？
这是因为对IP地址不够了解。现实中，有很多链路层和物理层的协议，它们都有不同的物理地址。如果完全依赖物理地址，那么路由表就需要对每个物理地址建立一个项，那样没有一个路由器能够负担如此庞大的表项。
而IP地址提供了更高层次的抽象，
将不同的物理地址抽象为统一的逻辑地址
。
IP地址有良好的分层。如果分组转发到同一子网，只需要在路由表中记录统一的网络前缀。比如，一个子网有6000个IP地址，对应6000个物理地址。记录IP地址网络前缀只需要1行，记录物理地址则需要6000行。
有了IP地址，
分组的路由(也就是找路)的工作仿佛在同一个网络中进行
。如果传输IPv4分组，那么IPv4分组传输过程中经过的所有网络都使用IPv4协议，仿佛它们在一个逻辑上的网络中。
ARP工作原理
ARP协议主要依赖
ARP高速缓存
(
ARP cache
)。ARP高速缓存就是一个映射表，它记录了IP地址和物理地址的映射关系。每一台主机和路由器都设有ARP高速缓存，在实际传输中，通常已知下一跳的目的IP地址(这是通过查询路由表完成的，不是本篇的知识)，通过查询ARP高速缓存即可知道对应的物理地址。
如何建立ARP高速缓存
高速缓存记录的映射表不是一开始就有的。假设已知下一跳的目的IP地址，如何通过ARP协议得知下一跳对应的物理地址呢？
答案是
通过广播ARP请求分组
。
ARP请求分组有3个重要信息：1.源IP地址。2.对应的源物理地址。3.目的IP地址。
查询的内容为：对应的目的物理地址。
以下是具体步骤：
-
源主机或者路由器会给
该网络的所有主机
发送ARP请求分组(也就是
给这个网络广播该分组
)，所有主机会检查分组的目的IP地址是否与自身的IP地址相同。如果不相同，就丢弃该分组；如果相同，就说明自己就是被寻找的目的主机或者路由器。 -
目的主机(或目的路由器)在收到ARP请求分组后，会做两件事：
1.
将源主机的IP地址和对应的物理地址添加进自身的ARP高速缓存映射表
。
这是因为既然源主机会和自己通信，那么自己之后也可能会主动和源主机通信，提前建立源主机的映射表项是有必要的，之后自己要主动和源主机通信就不用广播ARP请求分组了。
2.
给源主机发送ARP响应报文
(注意，该报文是单播的)
目的主机需要给源主机发送ARP响应报文，告知源主机自己的物理地址。源主机在收到所需的ARP响应报文，就可以发送帧给目的主机了。
为什么是单播而不是广播呢？那是因为目的主机已经有源主机的物理地址了，可以直接给源主机发送对应的帧，不需要广播。 -
当源主机接收到ARP响应报文后，也会将目的主机的IP地址和对应的物理地址添加到自己的ARP高速缓存映射表中，这样下次再和该主机通信，就不用广播ARP分组了。之后就可以通过物理地址，给目的主机发送帧了。
使用ARP协议的4种不同情况
ARP协议是在单个网络内部运行的
。如果源主机和目的主机不在一个网络中，必须多次使用ARP协议。
无论情况多复杂，都是由以下4种情况组合而成的。
如果源主机和目的主机在一个网络中
，这就很简单，源主机直接通过ARP协议寻找目的主机的物理地址。
也就是情况1：源主机直接通过ARP协议寻找同一个网络下目的主机的物理地址。
如果源主机和目的主机不在一个网络中
，就必须通过路由器路由。通过查找路由表，将目的主机的IP地址转换为下一跳的IP地址。再通过ARP协议，将下一跳的IP地址转换为对应的物理地址。
细分有3种情况：
情况2：源主机寻找下一跳路由器的物理地址。
情况3：路由器寻找在同一个网络中的目的主机的物理地址。
情况4：路由器和目的主机不在同一个网络中，路由器A寻找下一条路由器B的物理地址。
其实这4种情况非常好理解，只需要理解路由表的作用和ARP映射表的作用即可。
高速缓存的生存周期
ARP高速缓存是动态的，而且缓存记录的映射项有生存周期，一般默认是20分钟。超过生存周期，那条映射就会从映射表中移除。
为什么需要设置生存周期呢？
是因为物理地址和IP地址都可能改变。比如目的主机更换了网络适配器，那么目的主机的物理地址就改变了。
如果源主机通过查看ARP映射表得到了目的主机以前的物理地址，肯定是无法正常通信的。但随着该表项生存周期到时，源主机会重新广播ARP请求分组，这样就可以得到目的主机新的物理地址。从而和目的主机正常通信。
ARP报文格式
- 硬件类型：该字段有16bit。指定运行ARP协议的物理网络类型，ARP协议可以运行在任何物理网络上。以太网是类型1。
- 协议类型：该字段有16bit。指定高层协议的类型。ARP可用于任何高层协议。IPv4协议的值为0x0800。
- 硬件长度：该字段有8bit。定义物理地址的长度，以字节为单位。对于以太网，该值为6字节。
- 协议长度：该字段有8bit。定义逻辑地址的长度，以字节为单位。对于IPv4，该值为4字节。
- 操作：该字段有16bit。用于定义分组类型，目前常用2种。ARP请求分组和ARP响应分组。
- 发送方硬件地址：记录发送方的物理地址。
- 发送方协议地址：记录发送方的逻辑地址。
- 接收方硬件地址：如果是ARP请求报文，由于不知道接收方的物理地址(请求报文就是通过广播询问接收方物理地址，当然事先不知道)，该字段全部填充为0。
- 接收方协议地址：记录接收方的逻辑地址。
封装ARP协议
ARP协议是很特殊的协议，它像是介于网络层和链路层之间的协议。
ARP协议是封装在帧中的，就像IPv4协议封装在以太网帧一样，从这个角度讲，ARP协议像网络层协议。
但是ARP协议是为网络层协议服务的，从服务的角度讲，它又像链路层协议。
实际中，ARP协议常封装在以太网帧中。
当广播ARP请求分组时，该网络中的所有主机都会从以太网帧中提取出ARP协议分组，检查
接收方协议地址字段
，如果和自身IP地址不相同，就丢弃该分组。如果相同，说明自身的物理地址就是被寻找的地址。就需要给发送方回复ARP响应分组(通过单播)。
ARP的响应报文会将
发送方硬件地址字段
和
发送方协议地址字段
填写成自身的物理地址和IP地址。将接收方硬件地址和接收方协议地址填写为ARP请求报文的发送方硬件地址和发送方协议地址。
抓包分析
抓取ARP请求报文
从上图可知，ARP协议被封装在Ethernet协议(以太网协议)中。
我们先看Ethernet II部分
：
Destination(目的物理地址)字段的值为：ff:ff:ff:ff:ff:ff
说明该以太网帧是广播帧，和ARP请求分组是通过广播形式发送吻合。
Source(源物理地址)字段的值为:50:eb:f6:56:ca:57
这是发送方主机的物理地址，和ARP协议的Sender MAC address字段的值完全吻合。
Type字段为：ARP(0x0806)。
说明该以太网帧封装的是一个ARP协议分组。
再看ARP协议部分
：
前4个字段表明物理地址和逻辑地址的类型和长度，和之前讲解的吻合。
第五个字段Opcode的值为1，说明是ARP请求报文。
后面4个字段是源物理地址和IP地址，以及目标物理地址和IP地址。
值得注意的是，目标物理地址正如之前所说，全部填充的0。因为该字段正是ARP请求报文需要获取的，目前不知，只能全部填充为0。
抓取ARP响应报文
先看Ethernet II部分
：
Destination(目的物理地址)字段的值正好是ARP请求报文的Source字段的值。
也就是说，该ARP响应报文是用来回应之前的ARP请求分组的。
该值也和Target MAC address的值相同。
Source(源物理地址)字段的值为目的端的物理地址，该值和Sender MAC address的值相同。
Padding是填充字段，用来填充以太网帧到最小帧长。
再看ARP协议部分
：
前4个字段没什么好讲的。
第五个字段Opcode为2，表示这是ARP响应分组。
后面4个字段，
源MAC地址正是ARP请求报文想寻找的物理地址
。源IP地址正好是ARP请求分组的目的IP地址。目的物理地址和目的IP地址正好是ARP请求分组的源物理地址和源IP地址。
查看ARP高速缓存
在windows系统的终端，输入
arp -a
命令可以显示ARP缓存中的所有条目。
可以看到，当源主机192.168.1.1向目的主机192.168.1.2发送ARP请求分组，并且得到对应的ARP响应分组后。
该表项192.168.1.2 8e-47-af-ef-a2-66就被添加到了ARP高速缓存中(第二项)。
静态映射与动态映射
可以看到，ARP高速缓存中，有的是
静态映射
，有的是
动态映射
。
通过ARP协议动态配置的表项就是动态映射
。发送方检查ARP缓存，如果没找到所需物理地址，就发送ARP请求报文，并得到ARP响应报文。之后再将对应的映射添加到ARP映射表上。这种方式得到的映射表项就是动态映射。
通过手动方式添加的表项就是静态映射。这种方式添加的表项比较死板，因为对应的映射关系不一定固定不变。但是，静态映射更加安全，不会被攻击者通过ARP请求响应报文添加错误的映射关系。