ARP协议出现的原因及映射方式讲解

ARP学习总结

1.ARP出现原因

ARP协议是“Address Resolution Protocol”(地址解析协议)的缩写。其作用是在以太网环境中，数据的传输所依懒的是MAC地址而非IP地址，而将已知IP地址转换为MAC地址的工作是由ARP协议来完成的。

在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢?它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

2.ARP映射方式

2.1.静态映射

静态映射的意思是要手动创建一张ARP表，把逻辑(IP)地址和物理地址关联起来。这个ARP表储存在网络中的每一台机器上。例如，知道其机器的IP地址但不知道其物理地址的机器就可以通过查ARP表找出对应的物理地址。这样做有一定的局限性，因为物理地址可能发生变化：

(1)机器可能更换NIC(网络适配器)，结果变成一个新的物理地址。

(2)在某些局域网中，每当计算机加电时，他的物理地址都要改变一次。

(3)移动电脑可以从一个物理网络转移到另一个物理网络，这样会时物理地址改变。

要避免这些问题出现，必须定期维护更新ARP表，此类比较麻烦而且会影响网络性能。

2.2.动态映射

动态映射时，每次只要机器知道另一台机器的逻辑(IP)地址，就可以使用协议找出相对应的物理地址。已经设计出的实现了动态映射协议的有ARP和RARP两种。ARP把逻辑(IP)地址映射为物理地址。RARP把物理地址映射为逻辑(IP)地址。

3.ARP原理及流程

在任何时候，一台主机有IP数据报文发送给另一台主机，它都要知道接收方的逻辑(IP)地址。但是IP地址必须封装成帧才能通过物理网络。这就意味着发送方必须有接收方的物理(MAC)地址，因此需要完成逻辑地址到物理地址的映射。而ARP协议可以接收来自IP协议的逻辑地址，将其映射为相应的物理地址，然后把物理地址递交给数据链路层。

3.1.ARP请求

任何时候，当主机需要找出这个网络中的另一个主机的物理地址时，它就可以发送一个ARP请求报文，这个报文包好了发送方的MAC地址和IP地址以及接收方的IP地址。因为发送方不知道接收方的物理地址，所以这个查询分组会在网络层中进行广播。(见图1)

3.2.ARP响应

局域网中的每一台主机都会接受并处理这个ARP请求报文，然后进行验证，查看接收方的IP地址是不是自己的地址，只有验证成功的主机才会返回一个ARP响应报文，这个响应报文包含接收方的IP地址和物理地址。这个报文利用收到的ARP请求报文中的请求方物理地址以单播的方式直接发送给ARP请求报文的请求方。(见图2)

4.ARP协议报文字段抓包解析

4.1.报文格式

硬件类型：16位字段，用来定义运行ARP的网络类型。每个局域网基于其类型被指派一个整数。例如：以太网的类型为1。ARP可用在任何物理网络上。

协议类型：16位字段，用来定义使用的协议。例如：对IPv4协议这个字段是0800。ARP可用于任何高层协议

硬件长度：8位字段，用来定义物理地址的长度，以字节为单位。例如：对于以太网的值为6。

协议长度：8位字段，用来定义逻辑地址的长度，以字节为单位。例如：对于IPv4协议的值为4。

操作码：16位字段，用来定义报文的类型。已定义的分组类型有两种：ARP请求(1)，ARP响应(2)。

源硬件地址：这是一个可变长度字段，用来定义发送方的物理地址。例如：对于以太网这个字段的长度是6字节。

源逻辑地址：这是一个可变长度字段，用来定义发送方的逻辑(IP)地址。例如：对于IP协议这个字段的长度是4字节。

目的硬件地址：这是一个可变长度字段，用来定义目标的物理地址，例如，对以太网来说这个字段位6字节。对于ARP请求报文，这个字段为全0，因为发送方并不知道目标的硬件地址。

目的逻辑地址：这是一个可变长度字段，用来定义目标的逻辑(IP)地址，对于IPv4协议这个字段的长度为4个字节。

4.2.报文封装

ARP报文直接封装在数据链路帧中，例如，图4中，ARP分组被封装在以太网的帧中。注意，帧中的类型字段指出此帧所携带的数据是ARP报文。

4.3.报文抓包解析

既然了解了ARP的详细格式，就尝试获取ARP报文。

例：

如图5所示，pc1给pc2发送ARP请求，此时使用Wireshark获取ARP抓包数据

当PC1发送的ARP请求报文，以广播报的形式发送到局域网后，当pc2检测到IP地址与自己的IP相同，就会发送给PC1响应报文。

对于ARP响应包来说，源IP，目地IP，源MAC，目地MAC都是知道的。

PS：报文中的padding字段是填充数据，为了保证帧最少有64个字节