二十七、网络层篇-处于第2.5层的协议：ARP协议

经过了三篇劝退式文章，下面来稍微聊点常见和轻松的协议：ARP协议，此外，我想多说几句，学习本身就是一件枯燥乏味的事情，如果计算机网络学习很轻松，那么也就不可能被提升为大学里的一门独立学科了，本系列文章也尽可能地用简洁的语言来窥探计算机网络的一角，希望我们都能静下心来认真、深入、持续学习一下计算机网络，里面的解决思路、思想对工作都有无穷裨益。

好了，做好思想建设，让我们继续出发！

ARP协议是我们经常碰到的一个协议，无时无刻不在使用它。

我们先考虑最简单的场景，若A和B属于同一子网，如果A知道B的MAC地址，则在主机A的数据链路层把IP数据包封装成“帧”的形式，其中：

源MAC地址：A的MAC地址
目的MAC地址：B的MAC地址
源IP地址：A的IP地址
目的IP地址：B的IP地址

如果A不知道B的MAC地址，则使用ARP协议，发送一个数据包来获取B的MAC地址，获得之后，在使用同样的方法来对IP数据包进行封装。然后直接发给主机B，至此完成数据传输。

没错，我们A需要知道B的MAC地址，就需要通过ARP协议来解决。

一、ARP协议简介

ARP 是 Address Resolution Protocol 的缩写，表示“地址解析协议”。

那如何在不知道其 MAC 地址的情况下向我们所属的网络上的机器发送消息？

这个时候广播地址就开始起作用啦，多亏了广播地址，该消息将被发送给所有人，这被称为 ARP 请求或 ARP 广播。

上图的主机A会通过广播将此信息广播出去：“xxx这台机器可以向我发送你的 MAC 地址吗？”，这个时候主机B也会收到此广播，发现IP是自己的IP，因此回应自己的 MAC 地址给主机A。

因此，ARP 是这样一种协议，它可以关联 OSI 第 2 层的 MAC 地址与第 3 层的 IP 地址，因此本文的标题起成了处于2.5层的协议，不过非要将其分类，自然需要分类到网络层啦，毕竟这篇文章可没安排在数据链路层。

不过这里有个问题，如果每次你要发送信息时都用广播，难道网络不会饱和吗？当然会。所以我们得采用一个解决方案，就是：ARP 表。

二、ARP表

为了避免每次要向机器发送信息时都必须发送 ARP 广播，我们用 ARP 表短时间内维持 IP 地址和 MAC 地址的对应关系，这也被称为 ARP 缓存。

因此，如果主机A将数据包发送给主机B，则将B的 MAC 地址记在 ARP 表中。下一次我想与之通信时，将不再需要在网络上发送 ARP 广播了。

借助 ARP 协议，我们可以根据 IP 地址获取 MAC 地址。还有一个 RARP 协议，是 Reverse Address Resolution Protocol 的缩写，表示“反向地址解析协议”，和 ARP 正相反，RARP 协议可以根据 MAC 地址获取 IP 地址。

在 windows 上可以用 arp -a 命令查看 ARP 缓存：

ARP 表也有TTL寿命，这个 TTL 的大小是不一定的，和操作系统有关，也可以设置。一般来说，如果与此地址在大约两分钟内没有通信，那么对应的记录就会从 ARP 表中被删除。因此，ARP 表是动态的，它会随着时间的流逝而变化，具体取决于与本机通信的机器。

三、ARP请求过程概述

假设我们是机器A 192.168.0.1，想要向机器B 192.168.0.2 发送消息。此时还不知道机器B的 MAC 地址，这个时候 ARP 协议开始发挥作用了：

我们首先查看本地 ARP 表，看看表中是否存在 IP 地址 192.168.0.2 与它的 MAC 地址的关联记录；
如果表中有此关联记录的话，我们直接向 MAC 地址发送信息，完毕；
如果表中没有此关联记录，则通过网络发送 ARP 广播；
机器 192.168.0.2 将回复我们，并告诉我们它的 MAC 地址；
我们将在 ARP 表中写入 IP 地址 192.168.0.2 和其 MAC 地址的关联记录；
我们向 MAC 地址发送信息，完毕。

现实情况往往是两台机器不处于同一个局域网内，机器A如何知道机器B的MAC地址呢？

四、ARP请求过程详细说明

我们通过一个例子来重新梳理两个机器之间的通信过程：机器A 192.168.0.1 希望向机器B 192.168.1.2 发送消息。

显然，本地机器要经过交换机、路由器等设备才能到达目的机器，那么趁此机会我们把之前学习过的知识整体梳理一遍。

第一步：机器A本地处理

首先一条消息要通过 OSI 封装下来，从应用层到最后的物理层。当消息到达第三层的时候，机器A即可通过子网掩码来计算机器B不跟自己在一个子网。那么就需要通过路由器1 192.168.0.254 才能离开机器A的网络。

如果我们的机器发现ARP表中没有缓存路由器1的MAC地址，则我们的机器A发出 ARP 请求，先获取 192.168.0.254 的MAC地址。获取到之后，构建帧，帧的格式为：

可以看到，目的MAC地址是路由器1的MAC地址，目标IP地址是我们希望访问的机器B。

第二步：交换机

接收到此帧的第一台机器将是 192.168.0.0/24 这个网络的交换机。交换机接收到了帧，读取帧中的目标 MAC 地址。交换机将查看自己的 CAM 表以了解表中是否有此 MAC 地址，以便了解应该将帧发送至哪个端口。如果交换机在自己的 CAM 表中找不到目标 MAC 地址，它就将帧发送到所有活动的端口！

因此，交换机现在可以将帧发送至输出端口，此输出端口连接到路由器，路由器就接收到了帧。