ARP详解

ARP详解

1、前言

地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）是一个通过解析网络层地址来寻找数据链路层地址的网络传输协议，它在IPv4中极其重要。ARP是通过网络地址来定位MAC地址。

1.1 建立TCP连接与ARP的关系

应用接受用户提交的数据，触发TCP建立连接，TCP的第一个SYN报文到达网络层并开始查询路由表：

1）如果目的IP和自己在同一个网段：

当发送端的ARP高速缓存表中在目的端对应的MAC地址时，则发送端在TCP SYN封装时，直接将目的端IP和MAC地址进行填充并发送出去。

当发送端的ARP高速缓存表中不存在目的端对应的MAC地址时，则IP层将TCP SYN连接缓存下来，发送ARP广播请求目的端的MAC地址，在目的端收到ARP请求，将自己的MAC和IP进行封装形成应答包，发送给发送端，发送端在收到ARP应答包之后，将目的端的IP和MAC缓存至自己的ARP高速缓存表中并进行填充，随后发送端将自己的TCP SYN连接发送出去。

（1）ARP请求包

（2）ARP应答

 

2）如果目标地址和自己不在同一个网段，就需要将包发送给默认网关，这需要知道默认网关的MAC地址：

当IP层的ARP高速缓存表中在默认网关对应的地址时，则发送端在TCP SYN封装时，直接将目的MAC填充为默认网关发送出去。

当发送端的ARP高速缓存表中不存在默认网关对应的MAC地址时，则IP层将TCP SYN连接缓存下来，发送ARP广播请求默认网关的MAC地址，在网关收到ARP请求，将自己的MAC和IP进行封装形成应答包，发送给发送端，发送端在收到ARP应答包之后，将默认网关的IP和MAC缓存至自己的ARP高速缓存表中，随后发送端将自己的TCP SYN连接发送出去。

 

1.2 ARP的位置

       OSI模型有7层，TCP在4层传输层，IP在3层网络层，ARP在2层数据链路层，高层对底层有强制依赖性，所以在TCP的建立前需要读取网络层中ARP高速缓存表中的数据，如果有则直接使用；如果没有就需要网络层对数据链路层进行依赖，则数据链路层进行ARP请求和应答，并发送给网络层并对ARP高速缓存进行补充。

 

2、ARP分组格式

以太网地址就是指MAC地址

2.1 以太网链路层-以太网首部（14字节）

目标以太网地址：ARP请求的目标MAC地址，FF:FF:FF:FF:FF:FF（二进制全为1）为广播地址。

源以太网地址：ARP发送方的MAC地址。

帧类型：以太网类型表示的是后面的数据类型，ARP为0x0806

2.2以太网报文数据-ARP请求/应答（28字节）

硬件类型：如以太网（0x0001）、分组无线网

协议类型：如网际协议（IP，0x0800）、IPv6（0x86DD）

硬件地址长度：每种硬件地址的字节长度，一般为6

协议地址长度：每种协议地址的字节长度，一般为4

操作码：1为ARP请求，2为ARP应答；3为RARP请求，4为RARP应答

源硬件地址：发送端ARP请求或应答的应答地址，这里是以太网地址，和填充在源以太网地址相同

源协议地址：发送ARP请求或应答的IP地址

目的硬件地址：在ARP请求时为FF:FF:FF:FF:FF:FF（二进制全为1）广播地址；在ARP应答时发送端的MAC。

目的协议地址：在ARP请求时为目的IP地址。

 

3、ARP高速缓存

3.1 定义：

ARP缓存是一个缓存区。用来储存IP地址和MAC地址，本质是<IP地址，MAC地址>的对应表中。表中一个条目记录了网络上一个主机的IP地址和其对应的MAC地址。

每一个以太网或令牌环网网络设配器都会有一个自己的ARP表，如下图：

Linux：

Windows:

当地址解析协议被询问一个已知IP地址节点，先查看本地ARP缓存表，若存在则直接返回对应的MAC地址；如果不存在，本地端才会发送ARP请求报文。

 

3.2 ARP缓存时间

在ARP缓存表中，动态ARP和静态ARP：

动态ARP：动态ARP条目随着时间推移自动添加或删除，每一个动态ARP缓存项目都设置了生存时间（TTL），TTL为0时此项目就会从ARP表中删除，

Linux默认60秒：

Windows默认120秒：

HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Services/Tcpip/Parameters（如下不存在，需要创建）

（1）ArpCacheLife：定义arp老化时间，默认120秒

（2）ArpCacheMinReferencedLife：定义arp最大老化时间，默认10分钟

 

4、ARP报文总长度

ARP报文总长度为64字节

但是在ARP传输过程中只有42字节：

以太网首部+ARP包头=14+28=42字节（bytes）

而在现实情况下，为了保证以太网帧的最小帧长为64字节（bytes），所以会在报文李添加一个padding字段用来填充，而保证帧大小为64字节（bytes）。