《TCP/IP 详解 卷1：协议》第4章：地址解析协议

ARP 协议

地址解析协议（ARP, Address Resolution Protocol）是IPv4协议栈中一个关键的组成部分，用于在网络层的IP地址与数据链路层的硬件地址（如MAC地址）之间建立映射关系。它的主要任务是：

• 将32位的IPv4地址解析为对应的48位MAC地址，以便以太网等链路层协议能够正确封装并投递帧。
• 提供动态映射机制，自动适应网络环境的变化，而无需手动配置。

直接交付过程

直接交付（Direct Delivery） 是指当发送方与目标主机在同一IP子网中时，IP数据报可以不经过路由器，直接通过链路层协议（如以太网）发送到目标主机。这一过程中，地址解析协议（ARP） 起到了关键作用 —— 将目标主机的IPv4地址解析为其对应的MAC地址。

1. 应用程序启动连接

   • 应用程序（如 Web 浏览器）发起请求，目标地址是 IPv4 地址 10.0.0.1（非主机名，因此不需要DNS解析）。

2. 请求建立连接

   • 应用层请求 TCP 建立连接至目标地址。

3. TCP发送数据报

   • TCP 构造连接请求，并封装成 IP 数据报，目标地址为 10.0.0.1。

4. 检查是否直接交付

   • 网络层检测到 10.0.0.1 与本地主机在同一子网内，因此无需经由网关或路由器，执行直接交付。

5. 发起地址解析请求（ARP 请求）

   • 发送方必须知道目标主机的 MAC 地址，但仅有其 IP 地址，因此需要执行地址解析。
   • 发送方构造一个 ARP 请求：广播一个以太网帧，询问 “谁是 10.0.0.1，请告诉我你的 MAC 地址”。

6. 广播ARP请求

   • ARP 请求在链路层广播给本地网络上的所有主机。这要求底层网络必须是广播网络（如以太网），不能是非广播多路访问网络（NBMA，如 Frame Relay）。

7. 接收与响应ARP请求

   • 所有在该广播域内的主机都能接收到 ARP 请求。
     • 只有配置了 IP 地址 10.0.0.1 的主机才会响应。
     • 响应为ARP应答（Unicast），包含其 MAC 地址。
     • 同时，所有接收到请求的主机都可以被动“学习”发送方的 IP-MAC 对，并缓存。

8. 发送实际数据报

   • 一旦发送方接收到 ARP 应答，便获得目标主机的 MAC 地址。
   • 然后，发送方使用这个地址将实际的 IP 数据报封装为以太网帧进行投递。

ARP 缓存

为了避免在每次发送IP数据报时都重复进行地址解析操作（即重复发送ARP请求），操作系统会维护一个称为 ARP 缓存（ARP Cache）的数据结构，用于存储已解析的 IP 地址与其对应的 MAC 地址之间的映射关系。

该缓存显著提升了网络通信的效率，是ARP协议运行的关键组成部分。

ARP缓存的结构

ARP缓存通常包含以下内容：

字段	说明
IP地址（逻辑地址）	IPv4地址
MAC地址（物理地址）	对应的硬件地址
接口信息	本地用于通信的网络接口
状态	静态或动态
TTL / 过期时间	条目的剩余生命周期（通常几分钟）

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缓存条目的两种类型

1. 动态条目（Dynamic Entries）

   • 由ARP协议自动创建。
   • 在主机接收到ARP应答时添加。
   • 有时间限制，过期自动删除（典型值是 60 秒到几分钟）。
   • 接收ARP请求时也可被动学习（即非目标主机也可更新缓存）。

2. 静态条目（Static Entries）

   • 由管理员手动配置（如通过 arp 命令）。
   • 永不过期，需手动删除或重启系统后清除。
   • 用于安全或关键通信链路，防止ARP欺骗。

缓存更新机制

• 每当主机发送ARP请求并收到应答时，都会插入或更新缓存中的对应条目。
• 接收到其他主机的ARP请求时，也会根据请求中包含的信息更新本地ARP缓存。
• 动态条目在一段时间后过期，以适应网络拓扑或设备变更，也就是软状态刷新。

ARP 帧格式

在以太网中，ARP请求和应答消息封装在以太网帧中，用于实现IPv4地址到以太网MAC地址的映射。ARP帧分为两部分：

• 以太网帧头（14字节）
• ARP消息体（28字节，用于IPv4 → MAC 映射）

• 广播地址：ARP请求使用以太网广播地址 ff:ff:ff:ff:ff:ff 作为目的地址。
• ARP应答是单播的：应答帧直接发给请求发送方，不使用广播。
• 信息冗余：ARP帧和以太网头都包含源MAC地址，这是典型的协议重叠设计。
• Op字段重要性：由于请求和应答的以太网类型字段相同（都为0x0806），必须通过 Op 字段区分。

代理 ARP

代理ARP（Proxy ARP）是一种 允许设备代表其他主机响应ARP请求 的机制。根据 [RFC 1027]，代理ARP主要应用于以下场景：

🔁 一个系统（通常是路由器）收到一个针对某IP地址的ARP请求，并不是将请求转发给目标主机，而是自己代为应答，返回自己的MAC地址。

这使得请求主机误以为代理设备就是目标主机，从而将后续流量直接发送给代理设备，进而实现跨网络转发。

示例场景

假设有以下两个网络使用相同的IP前缀：

网络A：192.168.1.0/24
网络B：192.168.1.0/24

它们由一台中间路由器连接，出于某些遗留系统的限制，不能更改子网配置。这时路由器可配置为代理ARP：

• 当网络A中的主机 192.168.1.10 发送ARP请求：“谁是192.168.1.20？”
• 网络B中的主机实际拥有这个IP。
• 路由器响应该请求，返回自己的MAC地址。
• 数据先到路由器，由其再转发给目标主机。