引言

IP协议的设计目标是为跨越不同类型物理网络的分组交换提供互操作，这需要网络层软件所使用的地址能够和底层物理网络硬件使用的地址之间进行转换。地址解析协议（ARP）提供了只用在IPv4地址和各种网络技术使用的硬件地址之间的映射。

注: ARP仅用于IPv4，IPv6使用邻居发现协议，它被合并入ICMPv6。

ARP提供从网络层地址到相关硬件地址的动态映射，ARP是自动执行的且随时间变化，不需要系统管理员重新配置：一台网络设备更换了网卡，从而改变了MAC地址（但保留原IP地址），ARP可以在一段时间后继续正常工作。

注: ARP仅在查询主机与目的主机位于同一IP子网系统时，才能工作。如果要访问的目的主机位于远程（通过判断网络地址前缀来判断），则需要一台可到达目的地的路由器代为转发。详细的说:

• 如果目的主机在本地（同一局域网下），需要使用ARP将IP地址映射为MAC地址，从而建立与本地主机的通信。
• 如果目的主机在远程，数据包的MAC地址填为路由器，由路由器代为转发。

一个例子

192.168.0.1在浏览器中访问http://192.168.0.2, 按照如下步骤进行:

• 应用程序请求TCP协议建立一条到192.168.0.2的链接
• 通过向192.168.0.2发送第一个IPv4数据报，TCP尝试向远程主机发送一个连接请求。
• 我们假设192.168.0.2与发送主机位于同一子网，不经过任何路由器。
• 发送主机必须将32bits的IP地址转换成48bits的以太网物理地址，这是ARP的功能。
• 检查ARP缓存，是否缓存了目的IP主机的MAC地址。如果有，填充后直接交付。如果没有，进行下面的步骤：
  • ARP在本地广播域发送ARP请求的以太网帧：如果你的IPv4地址被配置为192.168.0.2, 那么请回复我, 我是192.168.0.1.
  • 所有在广播域中的主机都收到了这个ARP请求，都会更新缓存中的相关条目, 不满足IP地址是192.168.0.2的主机，将主动丢弃该请求。
  • 对于满足IP地址的那个主机，需要应答请求者，这个应答不是广播帧，而时针对性回复给发送者（单播）。
  • 发送者收到回复，将目标的IP->MAC映射添加入缓存。原来引起这次ARP请求/回复的报文现在可以正常发送。

ARP缓存: 在内存中的一个映射表，其正常的到期时间是条目被创建20分钟后。

ARP帧的格式

arp.png

ARP是一个以太帧，处于2层之上，却为3层服务，所以有的地方说ARP工作在2.5层。

ARP中设置了双方的网络地址和硬件地址，区别请求帧和应答帧的字段是操作码字段（目的MAC地址也可以区分）。

相关概念

ARP缓存超时（软状态概念）

ARP条目的生存时间可调整，但是依据RFC建议：

• 完整的ARP条目生存时间为20分钟
• 不完整的ARP条目的有效时间为3分钟（所谓不完整，就是请求一个不存在的主机时，没有得到回复）

软状态: 指设定一个超时阈值，在超时前没有更新的条目，在超时后会被丢弃。

软状态刷新：软状态在活跃期间被更新状态，则计时器归零重计。

代理ARP

使一个系统（通常是一个路由器）可代替其它主机回答ARP请求，使得请求者认为代理 系统就是目的主机。代理ARP并不常用。

免费ARP

当一台主机发送ARP请求的目的IP为自身时，称为免费ARP，免费ARP有两个作用：

• 免费ARP不应该收到回复，如果收到回复，说明存在网络地址冲突的问题。
• 当自身的硬件地址修改时，可以通过免费ARP广播，使得其它设备在ARP缓存中更新该主机的硬件地址。

ARP相关的网络攻击

大多数ARP的实现使用ARP应答提供的条目去更新原有的条目，这使得攻击者只要不断地发出伪造的ARP响应包就可以更改目标主机ARP缓存中地IP-MAC条目，造成网络中断。