计算机网络ARP协议工作原理

IP分组在通过以太网发送时，由于以太网中的数据链路层设备并不识别IP地址，因此，IP分组必须先要封装成数据链路层的协议数据单元“帧”之后才能通过物理媒介进行传输。而帧从一个主机传送到以太网内的另一台主机，是根据48位的以太网地址（即网卡地址），而不是根据32位的IP地址来进行寻址的，因此，主机在发送帧之前需要将目标节点的IP地址转换成目标节点的MAC地址，而ARP就是一种专用于将IP地址映射到网卡的MAC地址的协议。假设主机A和B在同一个网段，主机A要向主机B发送信息，则ARP协议的工作原理如下：

步骤1：主机A首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的主机B的MAC地址，则主机A将对IP数据分组进行帧封装之后，直接利用ARP表中记录的主机B的MAC地址将帧转发给主机B。

步骤2：如果主机A在ARP表中找不到对应的主机B的MAC地址，则将缓存该分组，然后以广播方式向整个网段发送一个ARP请求报文（报文格式如图4.27所示），其中，该ARP请求报文中的源端IP和MAC地址为主机A的IP和MAC地址，目的端IP和MAC地址为目标主机B的IP址和全0的MAC地址。由于ARP请求报文是以广播的方式发送的，因此，该网段上的所有主机都会收到该ARP请求报文，但只有目标主机B才会对其进行处理。

图4.27 ARP/RARP请求与应答的报文格式

步骤3：主机B可通过比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址来确认自己是否为目标主机。当两者相同时，进行如下处理：将ARP请求报文中记录的主机A的IP和MAC地址存入到自己的ARP表中，然后，再以单播方式发送ARP响应报文（报文格式如图4.28所示）给主机A，其中，在ARP响应报文包含了主机B的IP和MAC地址。

步骤4：主机A在收到主机B回送的ARP响应报文之后，首先，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中，然后，再将IP分组进行帧封装，并利用主机B的MAC地址将帧转发给主机B。

如图4.28所示，当主机A和B不在同一网段时，主机A将会首先向网关发出一个ARP请求报文，其中，该ARP请求报文中的目标IP地址为网关的IP地址。当A在收到了网关的ARP响应报文之后，即可获得网关的MAC地址。然后，主机A即可再将IP分组进行帧封装，并利用网关的MAC地址将帧转发给网关。如果网关的ARP表中有记录主机B的MAC地址的表项，则网关即可直接将IP分组进行帧封装，并利用主机B的MAC地址将帧转发给主机B。

图4.28 ARP工作原理

如果网关的ARP表中也没有记录主机B的MAC地址的表项，则网关会广播一个ARP请求报文，其中，该ARP请求报文中的目标IP地址为主机B的IP地址。网关收到了主机B 的ARP响应报文之后，即可获得主机B的MAC地址，然后，网关即可再将IP分组进行帧封装，并利用主机B的MAC地址将帧转发给主机B。