ARP协议详解：基本原理与实现机制

ARP协议详解：基本原理与实现机制

ARP（Address Resolution Protocol）协议是计算机网络中的基础知识，用于将IP地址解析为MAC地址。本文将详细介绍ARP的基本原理，包括其报文格式、地址解析过程、老化机制以及动态ARP和静态ARP的区别。

ARP报文格式

ARP请求和应答的报文格式如图1所示。

图1 ARP请求和应答报文格式

主要字段解释如下：

• Hardware Type：硬件地址的类型。对于以太网，该类型的值为“1”。
• Protocol Type：映射的协议地址类型。对于IP地址，该值为0x0800。
• Hardware Length：硬件地址长度。对于ARP请求或应答来说，该值为6。
• Protocol Length：协议地址长度。对于ARP请求或应答来说，该值为4。
• OP：操作类型。1表示ARP请求，2表示ARP应答。
• Ethernet Address of sender：发送方MAC地址。
• IP Address of sender：发送方IP地址。
• Ethernet Address of destination：接收方MAC地址。
• IP Address of destination：接收方IP地址。

ARP地址解析过程

ARP通过以下两个步骤完成地址解析过程。

图2 ARP请求过程

如图2所示，HOSTA和HOSTB在同一网段，HOSTA要向HOSTB发送信息。

首先，HOSTA查看自己的ARP表，确定其中是否包含有HOSTB对应的ARP表项。如果找到了HOSTB对应的MAC地址，则HOSTA直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给HOSTB。

如果HOSTA在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为HOSTA的IP地址和MAC地址，目标IP地址为HOSTB的IP地址，目标MAC地址为全0的MAC地址。由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即HOSTB）会对该请求进行处理。

图3 ARP响应过程

HOSTB比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，当两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即HOSTA）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。之后以单播方式发送ARP响应报文给HOSTA，其中包含了自己的MAC地址。如图3所示，HOSTB向HOSTA发出一个包含其MAC地址的ARP响应报文。

HOSTA收到ARP响应报文后，将HOSTB的MAC地址加入到自己的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。

ARP老化机制

为了提高网络效率并减少错误，ARP协议采用了多种老化机制：

高速缓存

每台主机上都维护着一个高速缓存，存放最近获得的IP地址到MAC地址的映射关系。发送方在每次发送报文时，都先在缓存中查找目标IP地址所对应的MAC地址。如果ARP缓存中有对应的MAC地址，主机就不会再发送ARP请求报文，而是直接将报文发至这个MAC地址。如果ARP缓存中没有对应的MAC地址时，主机才会发送广播的ARP请求报文。

动态ARP表项的老化超时时间

当HOSTA收到HOSTB的ARP回应时，在HOSTA的缓存中会形成HOSTB的IP地址和MAC地址的映射关系。但是，如果HOSTB发生故障或者更换了网卡时，HOSTA没有得到关于HOSTB的任何通告，于是HOSTA仍会继续将报文发送给HOSTB。造成地址解析出现错误的原因就是HOSTA中的映射表的信息没有得到及时的更新。

为了减少地址解析过程中所出现的错误，ARP高速缓存中的表项一般都会设定一个定时器。当达到定时器的动态ARP表项的老化超时时间，设备进行老化探测，如果探测失败，删除该表项；否则，保留该表项。

动态ARP表项的老化探测次数

除了设置定时器中动态ARP表项的老化超时时间，还可以通过设置动态的探测次数来减少地址的解析错误。在将一条动态ARP表项老化之前，系统先进行探测，如果超过设置的探测次数后探测的目标主机仍没有应答，则此ARP表项将被删除。

动态ARP表项的老化探测模式

ARP表项老化之前，接口会发送ARP老化探测报文。老化探测报文可以是单播报文，也可以是广播报文。缺省情况下，接口以广播模式发送ARP老化探测报文。

当对端设备的IP地址不变化而MAC地址频繁更新时，建议使用广播模式发送ARP老化探测报文。

当对端设备MAC地址不变，当前网络带宽资源特别紧缺，且ARP表项的老化时间设置的比较小时，建议使用单播模式发送ARP老化探测报文。

当其他厂商设备与华为设备互联时，其他厂商设备接收到目的MAC地址为广播地址的ARP老化探测报文后，若ARP表项中已存在华为设备的IP地址与MAC地址映射，则丢弃该广播ARP老化探测报文。华为设备由于收不到该探测报文的应答报文，而删除对应的ARP表项，导致网络侧过来的流量不通。这种特殊情况下华为设备需要配置成以单播方式发送ARP老化探测报文，其他厂商设备需要配置成可以响应该单播探测报文。

二层拓扑探测功能

二层拓扑探测功能，是指当二层接口的状态由Down变为Up时，二层接口所属VLAN对应的所有ARP表项的老化超时时间变为0，使设备重新发送ARP探测报文，更新二层接口所属VLAN对应的所有ARP表项。

动态ARP与静态ARP

• 动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的ARP报文更新，可以被静态ARP表项覆盖。当到达老化时间、接口Down时会删除相应的动态ARP表项。
• 静态ARP是指IP地址和MAC地址之间有固定的映射关系，由网络管理员手动配置生成，在设备上不能动态调整此映射关系。