几幅图拿下ARP协议
# 几幅图拿下 ARP 协议
# 0. 前言
在上一篇文章 别再恐惧 IP 协议 (opens new window) 中， 我们了解到，网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。也就是说：只要在网络层确定了 IP 地址，就可以向这个目标地址发送 IP 数据报。然而，在底层数据链路层，进行实际通信时却有必要了解每个 IP 地址所对应的 MAC 地址。
对于这段话不太了解的小伙伴强烈推荐翻看上篇讲解 IP 协议的文章 别再恐惧 IP 协议 (opens new window)，有非常详细的解释和图例 😊
那么，ARP 就是用来实现由 IP 地址到 MAC 地址转化的一个网络层协议，当然，还有一个 RARP 协议可以实现由 MAC 地址到 IP 地址的转化。两者原理都差不多，本文就以 ARP 协议为例进行讲解。
# 1. ARP 概要
ARP（Address Resolution Protocol ）地址解析协议：实现由 IP 地址到 MAC 地址的转换。准确的来说，ARP 协议以目标 IP 地址为线索，用来定位下一个应该数据分包的网络设备对应的 MAC 地址。
🍉 以买车票为例：我们把数据链路层当成乘坐高铁从苏州到南京，再在南京转乘到北京，再在北京转乘到西藏的旅客，那么网络层就相当于每个车站的工作人员，在数据链路层每次转乘时，网络层为其购买了一张标有下一个 MAC 地址的车票。因此，即使旅客（数据链路层）不知道其最终目的地也没有关系，工作人员（网络层）会给你做出指引。
那么，ARP 协议做的事情就是在数据链路层每次换乘时，为其购买一张标有下一个 MAC 地址的车票
具体来说，网络层对数据链路层做出指引的过程称为路由控制，指引数据链路层的下一站是哪。为了将数据包发送给目标主机，所有主机和路由器都维护着一张路由控制表（Routing Table），该表记录着如下两个字段：
- 1）IP 地址
- 2）如果想要到达这个 IP 地址，在当前路由器，数据包的下一步应该是发送到哪个路由器
很不幸的是，路由控制表中记录的是这个数据包下一步应该发送到的 IP 地址，但是数据链路层进行通信的时候，它只认得 MAC 地址。所以，用来实现 IP 地址到 MAC 地址转换的 ARP 协议在此时就显得尤为重要。
# 2. ARP 的工作原理
那么 ARP 又是如何知道 MAC 地址的呢？
简单地说，ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应两种类型的包确定 MAC 地址的。并且每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。
如下图所示，假定主机 A 向同一链路上的主机 B 发送 IP 数据报，已知主机 A 和主机 B 的 IP 地址，它们互不知道对方的 MAC 地址：
1）首先，主机 A 为了获得主机 B 的 MAC 地址，它会先去查询自己的 ARP 高速缓存中有没有主机 B 的相关记录；
2）如果主机 A 的 ARP 高速缓存中没有主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射，主机 A 就会通过广播的方式发送 ARP 请求包（该包携带自己的 IP 地址 和 MAC 地址 以及 目标主机的 IP 地址），表明自己想要获得主机 B 的 MAC 地址；
2） 由于广播请求可以被同一个链路上的所有主机或路由器接收，因此如果这条链路上某个主机或路由的 IP 地址与这个 ARP 请求包中包含的目标主机的 IP 地址相同，那么这个节点就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包中返回给主机 A；
当然，ARP 响应包是以单播的形式进行发送的，毕竟 ARP 请求包中已经包含了主机 A 的 IP 地址，所以主机 B 非常清楚这个响应包应该发送给谁。
大部分网络协议在设计的时候，都是保持极度克制的，不需要的交互就砍掉，能合并的信息就合并，能不用广播就用单播，以此让带宽变得更多让网络变得更快。
3）主机 A 在收到主机 B 发过来的 ARP 响应包后，向其 ARP 高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。
当然，缓存是有一定期限的，超过这个期限，缓存的内容将被清空。这也使得即使 MAC 地址和 IP 地址的映射关系发生了变化，也依然能够正确的将数据包发送给目标地址。