老鬼傻瓜式讲解网络知识：网络设备如何通过IP地址获取设备MAC地址

导读：在前面老鬼向各位好友介绍一些关于网络的基础知识，同时针对ICMP协议（常见使用的Ping测试网络就是使用该协议）进行了详细介绍。具体可参见《》文章中的介绍。今天老鬼将继续以傻瓜式的方式讲解地址解析协议ARP，让大家看到不一样的深层网络知识原理。

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这是物联老鬼在【今日头条】写的第119篇文章

本文将按照以下目录引导介绍：

1.ARP协议用来做什么

2.ARP协议报文介绍

3.ARP工作过程

4.免费ARP介绍

一台网络设备要发送数据给另一太网络设备时，必须要知道对方的IP地 址。但是，仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通 过数据链路进行发送，而数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端 还必须获取到目的MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取 下一跳的MAC地址。IP地址由网络层来提供，MAC地址通过ARP协议 来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分，ARP能够通过目 的IP地址发现目标设备的MAC地址，从而实现数据链路层的可达性。

ARP报文中包含以下字段 ：

• 1. Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网；

• 2. Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP；

• 3. Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度， 单位是字节；

• 4. Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP request和ARP reply；

• 5. Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址；

• 6. Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；

• 7. Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP request报文中，该字段值为0；

• 8. Destination Protocol Address指的是指接收者的IP地址

总览

通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。 网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是 否已知。

ARP缓存表

网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP 地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表 。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来 封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发 送ARP request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系 会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这 个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了 这段有效期，ARP表项会被自动删除。 如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的 MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备

Step1：ARP请求

本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会 发送ARP request来获取目的MAC地址。ARP request报文封装在以太 帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主 机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FFFF-FF-FF-FF。ARP request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源 MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP Request 报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此 ARP request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上

Step2：ARP响应

所有的主机接收到该ARP Request报文后，会检查它的目的协议地址字 段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源 IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行 响应。

主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址 是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，目的MAC地 址是主机A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同时 Operation Code被设置为reply。ARPReply报文通过单播传送

Step3：写入ARP缓存

主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自 己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被 记录到主机A的ARP缓存表中。ARP表项的老化超时时间缺省为1200秒。

跨网段如何访问

在上述例子的组网中，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的 IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它将会以广播 形式发送ARP Request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文 无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也 就无法应答。 在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后 ，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项 ，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP request 。主机A收到ARP reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的 MAC地址进行数据转发。

主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的 IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP request报文来进行地址冲突检测。 主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地 址，该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经 被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP reply报文。 通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了

尾言

好了至此大家应该比较清楚了ARP协议的作用以及其作为免费侦测IP地址冲突的工作过程和原理。