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ARP地址解析过程（同一子网和不同子网）

2023-05-16

人们最熟悉的网络可以说是以太网，而且人们都知道，每块网卡都有一个编号，也就是网卡地址（称为MAC地址），代表计算机的物理地址。另外，网络中的每一台计算机都分配了一个IP地址，这样，每台计算机上都有两个地址，IP地址和MAC地址。
IP地址并不能代替MAC地址，前者是在大网中为了方便定位主机所采用的方式，如果网络规模不大，完全可以不使用IP地址。但是，无论什么网络环境物理地址都是要使用的。因为物理地址对应于网卡的接口，只有找到它才算真正到达了目的地。而IP地址是为了方便寻址人为划分的地址格式，因此IP地址也被称为逻辑地址，又因为这种结构化地址是在OSI的第3层定义的，也被称为3层地址。相应地，物理地址是在第2层定义的，被称为2层地址。IP地址是一种通用格式，无论其下一层的物理地址是什么类型，都可以被统一到一致的IP地址形式上，因此IP地址屏蔽了下层物理地址的差异。
既然IP地址并不能代替物理地址，它只是在逻辑上表示一台主机，物理地址才对应于网卡的接口，只有找到它才能将数据送达到目的地。那么如何把二者对应起来就是要解决的首要问题，因为二者代表的是同一台机器。为此人们开发了地址解析协议（Address Revolution Protocol，ARP），地址解析协议负责把IP地址映射到物理地址。
下面分两种情况解释ARP的工作过程：同一子网内的arp和不同子网间的arp。
（1）同一子网内的ARP
主机A （172.16.20.20/24）与主机B通信。假设在A上Ping主机B的IP地址172.16.20.5/24。
为了把测试信息发送到主机B和A，将构造关于Ping的IP数据包。可以确定，这个包头中的源IP地址是172.16.20.20，目的地址172.16.20.5。IP数据包构造完成以后，需要将它从网卡发送出去，在这之前必须要封装2层的帧头，本例中2层是以太网环境，因此需要构建以太网帧头。分析帧头中的MAC地址情况，它的源地址应该是00-0C-04-18-19-aa，这个地址很容易获得，主机A直接从自己的网卡中获取即可，帧头中的目的MAC地址应该是00-0C-04-38-39-bb，它对应于主机B的MAC地址。主机A如何得知主机B的MAC地址呢？这是主机A在封装2层帧头时必须解决的问题，否则无法发送这个帧出去。主机A唯一的办法是向主机B发出询问，请主机B回答它自己的MAC地址是什么。ARP协议正是负责完成这一工作的，即已知目的节点的IP地址来获取它相应的物理地址。
ARP的操作过程如下。
① 主机A发出ARP请求，请求帧中的数据部分包括发送者MAC地址00-0C-04-18-19-aa、发送者IP地址 172.16.20.20和目标MAC地址，这里全部填充0，因为它未知（这正是ARP要询问的），目标IP地址是172.16.20.5。
② 在请求帧的帧头部分，目的MAC地址是广播地址，因此所有收到的站点（其中就包括主机B）都打开这个帧查看其数据部分的内容。
③ 只有符合目标IP地址172.16.20.5的主机（主机B）回答这个ARP请求，其他站点则忽略这个请求。
④ 主机B把自己的MAC地址写入“目标地址”字段中，送给主机A。
主机A通过ARP的操作得到了主机B的MAC地址，可以继续完成它的封装过程，从而最终执行了Ping的操作。
ARP请求者收到应答后，会在自己的缓存中构建一个ARP表，将得到的地址信息缓存起来，以备将来和同一目的节点通信时直接在ARP表中查找，避免了多次的广播请求。
实际上，完整的操作过程是：主机A在准备构造2层帧头时，首先根据目的IP去查找ARP表，如果找到对应项，则直接得到目的MAC地址，如果没有查到才执行上面所说的ARP广播请求。这样做是为了最大限度地减少广播。
（2）不同子网间ARP
假设在主机A（172.16.10.10/24）上Ping主机B的IP地址172.16.20.5/24，随后主机A将构造关于Ping的IP数据包，这一过程与前面相同，只是目的地址在另外一个子网中。主机A仍然面临如何确定2层帧头中的目的MAC地址的问题。
如果仍然依照目的节点和源节点位于同一子网中的思路，这个目的MAC应该是主机B网卡的MAC地址。顺着这个思路走下去，看看会发生什么情况。
由于主机B位于路由器的另外一侧，因此主机B要想收到主机A发出的以太网帧必须通过路由器转发，那么路由器是否会转发呢？答案是否定的。路由器在收到某个以太网帧后首先检查其目的MAC，而这里假设A发出的帧中的目的MAC是B的网卡地址，路由器从Ethernet 0接口收到该帧后，查看目的MAC地址，发现它不是自己的MAC地址，从而将其丢弃掉。由此看来，位于不同子网的主机之间在通信时，目的MAC地址不能是目标主机的物理地址。
实际上，不同子网之间的主机通信要经过路由过程，这里就是需要路由器A进行转发。因此，主机A发现目标主机与自己不在同一个子网中时就要借助于路由器。它需要把数据帧送到路由器上，然后路由器会继续转发至目标节点。在该例中，主机A发现主机B位于不同子网时，它必须将数据帧送到路由器上，这就需要在帧头的“目的地址”字段上写入路由器接口Ethernet 0的MAC地址。因此，主机A需要通过ARP询问路由器Ethernet 0接口的MAC地址。
这里仍然是两个操作过程，一个是ARP请求；另一个是ARP应答。不过在ARP的请求帧中，目标IP地址将是路由器Ethernet 0接口的IP地址，这个地址实际上就是子网172.16.10.0/24中主机的默认网关。路由器收到ARP请求后回答自己Ethernet 0接口的MAC地址，这样主机A就获得了其默认网关的MAC地址。主机A构建完整的数据帧并将其发送给到路由器。路由器收到主机A的数据后，根据路由表的指示将从另一接口Ethernet 1把数据发送给主机B。同样，在发送前路由器也要封装2层帧头，也需要知道主机B的MAC地址，路由器也是通过ARP协议来获得B的MAC地址的。
综合以上两种情况，主机A的完整操作过程如下：
主机A首先比较目的IP地址与自己的IP地址是否在同一子网中，如果在同一子网，则向本网发送ARP广播，获得目标IP所对应的MAC地址；如果不在同一子网，就通过ARP询问默认网关对应的MAC地址。

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