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ARP协议的工作机制详解

ARP 是“Address Resolution Protocol”的缩写,译为“地址解析协议”,它是根据 IP 地址获取物理地址的一个 TCP/IP 协议。

ARP 协议通过 IP 地址向 MAC 地址的转换,解决网际层和网络访问层的衔接问题。

由于 IP 地址和 MAC 地址定位方式不同,ARP 协议成为数据传输的必备协议。主机发送信息前,必须通过 ARP 协议获取目标 IP 地址对应的 MAC 地址,才能正确地发送数据包。

为什么需要 ARP 协议

在网络访问层中,同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行通信,需要通过 MAC 地址进行定位,然后才能进行数据包的发送。

而在网络层和传输层中,计算机之间是通过 IP 地址定位目标主机,对应的数据报文只包含目标主机的 IP 地址,而没有 MAC 地址。

因此,在发送之前需要根据 IP 地址获取 MAC 地址,然后才能将数据包发送到正确的目标主机,而这个获取过程是通过 ARP 协议完成的。

ARP 工作的基本流程

ARP 工作流程分为两个阶段,一个是 ARP 请求过程,另一个是 ARP 响应过程。

工作流程如下所示。

ARP协议工作流程-请求示意图
 
ARP协议工作流程-响应示意图

在上面图片中,主机 A 的 IP 地址为 192.168.1.1,主机 B 的 IP 地址为 192.168.1.2。

主机 A 与主机 B 进行通信,需要获取其 MAC 地址,基本流程如下:
  • 主机 A 以广播形式向网络中所有主机发送 ARP 请求,请求包中包含了目标 IP 地址 192.168.1.2。
  • 主机 B 接收到请求,发现自己就是主机 A 要找的主机,返回响应,响应包中包含自己的 MAC 地址。

ARP 缓存

在请求目标主机的 MAC 地址时,每次获取目标主机 MAC 地址都需要发送一次 ARP 请求,然后根据响应获取到 MAC 地址。

为了避免重复发送 ARP 请求,每台主机都有一个 ARP 高速缓存。当主机得到 ARP 响应后,将目标主机的 IP 地址和物理地址存入本机 ARP 缓存中,并保留一定时间。

只要在这个时间范围内,下次请求 MAC 地址时,直接查询 ARP 缓存,而无须再发送 ARP 请求,从而节约了网络资源。

当有了 ARP 缓存以后,ARP 的工作流程如下:

1) 主机 A 在本机 ARP 缓存中检查主机 B 的匹配 MAC 地址。

2) 如果在 ARP 缓存中没有找到主机 B 的 IP 地址及对应的 MAC 地址,它将询问主机 B 的 MAC 地址,从而将 ARP 请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机 A 的 IP 地址和 MAC 地址都包括在 ARP 请求中。

3) 本地网络上的每台主机都接收到 ARP 请求,并且检查是否与自己的 IP 地址匹配。如果主机发现请求的 IP 地址与自己的 IP 地址不匹配,它将丢弃 ARP 请求。主机 B 确定 ARP 请求中的 IP 地址与自己的 IP 地址匹配,则将主机 A 的 IP 地址和 MAC 地址映射添加到本地 ARP 缓存中。

4) 主机 B 将包含自身 MAC 地址的 ARP 回复消息直接发送给主机 A。

5) 当主机 A 收到从主机 B 发来的 ARP 回复消息时,会用主机 B 的 IP 地址和 MAC 地址更新 ARP 缓存。

6) 主机 B 的 MAC 地址一旦确定,主机 A 就能向主机 B 发送 IP 数据包。本机缓存是有生存期的,生存期结束后,将再次重复上面的过程。

查看 ARP 缓存

每次成功得到 ARP 响应以后,就会将 IP 地址对应的 MAC 地址添加到 ARP 缓存中。用户可以通过 arp 命令查看 ARP 缓存中的信息,并验证是否会将目标 IP 地址和 MAC 地址添加到 ARP 缓存中。

【示例】查看 ARP 缓存表并验证添加的 IP 地址和 MAC 地址。

1) 使用 arp 命令查看当前主机缓存信息,执行命令如下:

root@daxueba:~# arp -a

输出信息如下:

localhost (192.168.59.254) at 00:50:56:f7:9b:0d [ether] on eth0
localhost (192.168.59.2) at 00:50:56:ea:f3:a1 [ether] on eth0

上述输出信息表示当前 ARP 缓存中有两组信息,192.168.59.254 对应的 MAC 地址为 00:50:56:f7:9b:0d,192.168.59.2 对应的 MAC 地址为 00:50:56:ea:f3:a1。

2) 在当前主机上与主机 192.168.59.135 进行通信。例如,可以使用 ping 命令探测该主机。执行命令如下:

root@daxueba:~# ping 192.168.59.135

输出信息如下:

PING 192.168.59.135 (192.168.59.135) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.59.135: icmp_seq=1 ttl=64 time=1.64 ms
64 bytes from 192.168.59.135: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.420 ms
64 bytes from 192.168.59.135: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.405 ms
64 bytes from 192.168.59.135: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.343 ms

上述输出信息表示成功向目标主机 192.168.59.135 发送了 ping 请求并得到了响应。

3) 当前主机的 ARP 缓存将会添加目标主机的 IP 地址及 MAC 地址。再次查看当前主机缓存信息,执行命令如下:

root@daxueba:~# arp -a
localhost (192.168.59.135) at 00:0c:29:ca:e4:66 [ether] on eth0
localhost (192.168.59.254) at 00:50:56:f7:9b:0d [ether] on eth0
localhost (192.168.59.2) at 00:50:56:ea:f3:a1 [ether] on eth0

上述输出信息中加粗部分为添加到 ARP 缓存中的目标主机的 IP 地址和 MAC 地址信息。

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