ARP协议

网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址而获取目的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。

一、ARP数据包格式

表项释义：

表项	释义
Hardware Type	硬件地址类型，一般为以太网
protocol Type	三层协议地址类型，一般为IP
Hardware Length	MAC地址长度，单位位字节
Protocol Length	IP地址长度，单位位字节
Operation code	指定的ARP报文类型，包括ARP request和ARP reply
Source Hardware Address	发送ARP报文设备的MAC地址
Source Protocol Address	发送ARP报文设备的IP地址
Destination Hardware Address	接受者的MAC地址，在ARP Request 报文中该字段为0
Destination Protocol Address	接受者的IP地址

二、ARP工作过程

• 通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。

2.1ARP缓存

网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。

2.2 ARP请求

本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP request来获取目的MAC地址。ARP request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。

2.3 ARP响应

所有的主机接收到该ARP Request报文后，会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。假设主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，目的MAC地址是主机A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同时Operation Code被设置为reply。ARP Reply报文通过单播传送。主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。ARP表项的老化超时时间缺省为1200秒。

2.4 ARP代理

• 位于不同网络的网络设备在不配置网关的情况下，能够通过ARP代理实现相互通信。

在上述例子的组网中，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它将会以广播形式发送ARP Request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP request。主机A收到ARP reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

2.5 免费ARP

• 免费ARP可以用来探测IP地址是否冲突。
  
  主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP request报文来进行地址冲突检测。
  主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。

三、ARP实验

3.1 ARP请求与响应

实验拓扑：

PC1 ping PC2：

这里可以打开报文，观察报文的源、目的MAC，源、目的IP等详细信息。
PC1 ARP缓存表：

3.2ARP代理实验：

实验拓扑：

AR1：

<Huawei>system-view 
[Huawei]interface GigabitEthernet 0/0/0
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]ip address 192.168.1.1 24
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]arp-proxy enable
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]quit
[Huawei]interface GigabitEthernet 0/0/1
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]ip address 192.168.2.1 24
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]arp-proxy enable
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]quit

PC配置：

PC1 ping 通PC2：

PC1ARP缓存表：