1、ARP协议介绍

ARP（Address Resolution Protocol）也称地址解析协议，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。它可以解决同一个局域网内主机或路由器的IP地址和MAC地址的映射问题。

OSI模型把网络工作分为七层，IP地址在OSI模型的第三层，MAC地址在第二层，彼此不直接打交道。在通过以太网发送IP数据包时，需要先封装第三层（32位IP地址）、第二层（48位MAC地址）的报头，但由于发送时只知道目标IP地址，不知道其MAC地址，又不能跨第二、三层，所以需要使用地址解析协议。使用arp协议，可根据网络层IP数据包包头中的IP地址信息解析出目标硬件地址（MAC地址）信息，以保证通信的顺利进行。

在TCP/IP模型中，ARP协议属于IP层（也称网络层）；在OSI模型中，ARP协议属于数据链路层。

2、ARP协议工作原理

2.1同网段

1、原理

1、首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。
2、当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。
3、网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；
4、源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
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例如：

A的地址为：IP：192.168.10.1 MAC: AA-AA-AA-AA-AA-AA B的地址为：IP：192.168.10.2 MAC: BB-BB-BB-BB-BB-BB
根据上面的所讲的原理，我们简单说明这个过程：A要和B通讯，A就需要知道B的以太网地址，于是A发送一个ARP请求广播（谁是192.168.10.2 ，请告诉192.168.10.1），当B收到该广播，就检查自己，结果发现和自己的一致，然后就向A发送一个ARP单播应答（192.168.10.2 在BB-BB-BB-BB-BB-BB）。

2、详细过程
下面是ARP协议在网段内工作时详细的过程：
在这里插入图片描述
如果主机10想要和11进行通讯，会经历以下几个步骤：

1、创建一个ARP协议格式的报文，报文的目标MAC地址全为F，目标IP为11。

2、报文发送至交换机，交换机发现是一个ARP协议的报文，会将此报文通过自己记录的端口进行广播。

3、11和12两台主机都接收到ARP报文，12发现目标IP与自己本机IP不符，将此报文丢弃；11发现与本机IP一致，将自己的MAC地址也封装成ARP协议的报文，发送给交换机，交换机将该报文发送给10主机。

4、主机10收到报文，将11的MAC地址缓存到本地的ARP列表中。

在第三步中，主机11将自己的MAC地址封装成ARP协议报文，其实是一个将原来的报文进行替换的过程

在这里插入图片描述

交换机工作在第二层，它可以动态记录其各个端口对应的MAC地址和IP地址，当建立起端口与MAC地址和IP地址的映射关系后，下次如果出现网段内的通讯，就不需要通过广播到各个端口进行寻找对应的MAC地址了，保证了局域网具有很高的带宽。
在这里插入图片描述

2.2不同网段

1、原理

不同网段的主机通信时，主机会封装网关（通常是路由器）的MAC地址，然后主机将数据发送给路由器，后续路由进行路由转发，通过ARP解析目标地址的MAC地址，然后将数据包送达目的地。具体过程分析如下：

2、具体过程

在这里插入图片描述
如上图，主机A、B通过路由器连接，属于两个不同的网段子网掩码24（255.255.255.0）

1、主机A有数据发往主机B，数据封装IP之后发现没有主机B的MAC地址；然后查询ARP，ARP回应：“我在192.168.3.0/24网段，目标地址在192.168.4.0/24,不属于同一网段，需要使用默认网关”；ARP发现默认网关是192.168.3.2，但是没有网关MAC地址，需要先进行查询；

2、主机将数据包先放到缓存中，然后发送ARP查询报文：封装自己的MAC地址为源MAC，目标mac地址写全F的广播地址，请求网关192.168.3.2的MAC地址。然后以广播方式发送出去；

3、路由器收到广播数据包，首先将原192.168.3.1添加到自己的MAC地址表中，对应MAC地址为0800.0222.2222。路由发现是请求自己的MAC地址，然后路由回复一个ARP应答：封装自己的IP地址为源IP自己的MAC地址为源MAC，主机A的IP为目的IP主机A的MAC为目的MAC，发送一个单播应答“我是192.168.3.2.我的MAC地址为0800.0333.2222”；

4、主机收到应答后，将网关MAC地址对应192.168.4.2（跨网关通信，其他网段IP地址的MAC地址均为网关MAC），然后将缓存中的数据包，封装网关MAC地址进行发送；

5、路由收到数据包，检查目的IP地址，发现不是给自己的，决定要进行路由，然后查询路由表，需要发往192.168.4.0网段中的192.168.4.2地址。路由准备从相应接口上发出去，然后查询MAC地址表，发现没有主机B的映射。路由器发送ARP请求查询主机B的MAC地址（原理同2、3步，主机B收到请求后首先会添加网关的MAC地址，然后单播回复ARP请求）；

6、路由器收到主机B的MAC地址后，将其添加到路由MAC地址表中，然后将缓存中的数据2层帧头去掉，封装自己的MAC地址为源MAC，主机B的MAC地址为目的MAC（源和目的IP地址不变），加上二层帧头及校验，发送给主机B；

7、主机B收到数据之后，进行处理，发送过程结束；

8、如果主机B收到数据后进行回复，主机B会进行地址判断，不在同一网段，然后决定将数据发送给网关，主机B查询MAC地址表获得网关MAC地址，将数据封装后发送（ARP地址解析的过程不再需要了，MAC地址表条目有一定的有效时间），网关收到数据后直接查询MAC表，将二层帧MAC地址更改为A的MAC发送出去。如此，主机A收到主机B的回复；

综上在跨网段通信过程中有以下过程：
1、判断地址是否同一网段
2、查询目的IP地址的mac（发送arp请求）

此外需注意点：
1、ARP请求以广播发送、以单播回应
2、路由器隔离广播。每一个网段都是独立的广播域
3、跨越网段通信需要使用网关的MAC地址

参考：https://blog.csdn.net/TheRainManFSA/article/details/105411543
https://blog.csdn.net/jazzsoldier/article/details/52635744