ARP地址解析协议原理
概述
网络层以上的协议用IP地址来标识网络接口，但以太数据帧传输时，以物理地址来标识网络接口。因此我们需要进行IP地址与物理地址之间的转化。
对于IPv4来说，我们使用ARP地址解析协议来完成IP地址与物理地址的转化（IPv6使用邻居发现协议进行IP地址与物理地址的转化，它包含在ICMPv6中）。
ARP协议提供了网络层地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之间的动态映射。ARP协议 是地址解析的通用协议
请求的例子：
MAC 地址 与 IP地址
Mac地址由设备制造商定义/分配，每一个硬件设备都有一个链路层主地址（MAC地址），保存在设备的永久内存中。设备的mac地址不会改变（现在可以进行mac地址伪装）
IP地址由用户配置给网络接口， 网络接口的IP地址是可以发生变化的（通过DHCP获取IP，变化速度比较快）
获取目的端的MAC地址(在一个以太网中)步骤如下:
1.发送ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，即广播(以太网源地址填全1)。ARP请求帧中包含了目的主机的IP地址。
2.目的主机收到了该ARP请求之后，会发送一个ARP应答，里面包含了目的主机的MAC地址。
ARP协议工作原理
- 每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 列表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的对应关系。
- 主机（网络接口）新加入网络时（也可能只是mac地址发生变化，接口重启等）， 会发送免费ARP报文把自己IP地址与Mac地址的映射关系广播给其他主机。
- 网络上的主机接收到免费ARP报文时，会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
- 某个主机需要发送报文时，首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址，如果有，则直接发送数据，如果没有，就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP 地址，源主机 MAC 地址，目的主机的 IP 地址等。
- 当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时：
（A）首先检查数据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址，如果不是，则忽略该数据包。
（B）如果是，则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中，如果已经存在，则覆盖。
（C） 然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中，告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。
6.源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包，表示 ARP 查询失败。
ARP工作实例
下面我们就来谈一谈ARP地址解析协议是如何把目的地址的IP地址转化成MAC地址的。
1. 首先，主机A想要向主机B发送消息，但它不知道主机B的MAC地址，只知道主机B的IP地址。这时，主机A会在当前局域网下以广播的形式发送ARP请求数据报,表示主机A想知道主机B的MAC地址（注：广播时，以太网首部的目的地址为全f）。
2. 由于是广播，所以在本局域网上的所有主机都会受到主机A发送的ARP数据报，然后所有主机会把以太网首部这个报头给去掉，向上面的网络层发送ARP数据报。在这里我们便可以回答上面的问题了，以太网首部和ARP数据报内的MAC地址都不能少，一个是在数据链路层使用的，一个是在网络层使用的，因为两个层都不能看到互相的数据。
3. 网络层首先会检查op字段，发现这时个ARP请求数据报，然后又会检查目的IP地址字段，检查完毕后，这时除了主机B外，在这个局域网内的其他主机都会把数据报丢弃，因为只有主机B的IP地址和目的IP地址是相同的。
ARP缓存
ARP高速缓存（即ARP表）是 ARP地址解析协议能够高效运行的关键， (如果有多次ARP响应时，以最后一次响应为准)
ARP给IP地址和MAC地址中间做了动态映射，也就是说缓存了一个ARP表，将得到的IP地址和MAC地址对应起来，如果在表中没有查到IP地址对应的MAC地址，就会发广播去找。随着用户的使用，ARP表如果不做任何措施，就会变得越来越臃肿缓慢，就降低了网络传输数据的效率，所以ARP缓存中每一项被设置了生存时间，一般是20分钟，从被创建时开始计算，到时则清除，如果在计时期间又被使用了，计时会重置。
我们可以通过arp命令查看arp表：
ARP表中记录了一些IP地址与物理地址的映射，在arp表中，我们可以看到一个Flags字段，该字段有C、M、P三种取值：
C： 表明arp条目为通过ARP请求动态获取，（一般存活时间为20min）
M：表明arp条目为手动设置。
P： 表示Publish，表示该ARP条目可以用于恢复其他主机的ARP请求。（用于ARP proxy）
报文格式(ARP 帧)
ARP帧以以太帧的形式存在，即ARP消息包含在以太帧中 ，因此包含以太帧的首部和尾部。（这里不考虑802.1p/q等特殊以太帧）。
* 帧类型*：用来向收到数据报的主机表示该数据报的类型，常见类型如下：
0800:IP数据报；
0806:ARP请求/应答数据报；
8035:RAPP请求/应答；
ARP Request or Reply Message 是ARP帧的核心部分。
前14字节是以太网首部帧格式 ,然后后面四个字段描述了本ARP帧涉及的硬件类型和协议类型。
Hard Type：该字段占2个字节，指定硬件地址类型， 如值为1表示为以太网地址。
Prot Type ：该字段占2个字节，指定协议地址类型，如0x0800 表示协议地址类型为IPv4地址。该值与以太帧首部的类型字段相同。
Hard Size： 表示硬件地址的大小（单位：字节），如以太网地址为6。
Prot Size ： 表示协议地址的大小（单位：字节）， 如IPv4地址大小为4。（硬件地址长度和协议地址长度，分别占1个字节，指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。）
OP ： 表示ARP的消息类型。
1：ARP Request；
2：ARP Reply
3：RARP Request
4：RARP Reply
后面四个字段写入的是一些物理地址和协议地址。不一定全部有值。
对于ARP Request 而言，我们不知道目的MAC地址是什么，因此 Target’s Hardware Address 全部填充为0.
ARP帧的交互
当主机接收到一个针对其协议地址的ARP Request时，它会回应ARP Reply. 该Reply消息内容为：对调sender 和 Target 地址字段，然后将Sender’s Hardware Address（即原来的Target’s Hardware Address ）修改为本机的Hardware Address。另外OP字段有1变为2.
局域网中一台主机获取已知一台IP地址的主机的硬件地址过程：
免费ARP 和 地址冲突检测
* 免费ARP* 指的是 主机发送一个ARP请求，求寻找自己的IP地址 。常用在系统引导时，对网络接口进行配置的时候。
免费ARP有两个重要作用
1. 检测网络上是否有其他主机的IP地址与本机相同，即地址冲突检测。
2. 当主机向网络广播免费ARP时，其实她也将自己的IP地址与物理地址的映射关系广播给其他主机了。因此，如果本机的硬件地址发生了变化，其他主机也应该做出相应的更新。
ARP请求发送到了目的端之后，目的端填上了自己的硬件地址，然后把两个目的端地址和两个发送端地址交换，把op的值置为2，再把该ARP数据报发回去。
前面提到的获取目的端的MAC地址的步骤是在一个特殊的条件下完成了，即发送端和目的端都在同一个以太网中，那么当发送端和目的端不在同一个网络中呢。
这种情况下有一个术语叫ARP代理。连接发送端和目的端网络的路由器就充当这样一个代理。举个简单的例子，当主机A发送ARP请求给主机B时，它们处于不同的网络，但是由路由器C相连，当C识别出主机B的IP地址属于它连接的一个主机，这时C就会欺骗主机A，让A误认C就是目的主机，然后C就将ARP数据报发给B，最后B再将ARP应答发回来。
还有最后一个ARP特性：免费ARP
它是指主机发送ARP查找自己的IP地址。
作用有两个：
1.主机可以通过它来确定另一个主机有没有设置同样的IP地址。
2.如果发送免费ARP的主机改变了硬件地址（换了网卡），那么这个分组就会更新其它主机高速缓存表中旧的硬件地址。
ARP报头定义如下：
- #!/bin/bash
- net='192.168.199.'
- i=1
- count=0
- while [ $i -le 254 ]
- do
- if [ $count -eq 20 ];then
- count=0
- sleep 1
- fi
- ping -c1 $net$i &
- let i++
- let count++
- done
- wait
- echo '############################################'
- arp -a | grep -v 'incomplete'
- echo '############################################'
