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ARP是Address Resolution Protocol的首字母缩写，即地址解析协议。

如果一台主机要将一个帧发送到另一台主机，只知道这台主机的IP地址是不够的，还需要知道主机的硬件地址。

对于以太网而言，硬件地址即48位的MAC地址。

对于采用以太网的TCP/IP网络，ARP协议提供从IPv4地址到MAC地址的动态映射。

动态是指它会自动执行和随时间变化，而不需要系统管理员重新配置。比如一台主机因更换网卡改变了MAC地址，ARP在一定延时之后继续正常运作。

ARP不能跨网络使用！

ARP仅用于IPv4，IPv6使用ICMPv6中的邻居发现协议实现类似功能。

注：这里所说的ARP帧实际上是指ARP消息封装成的以太网帧。

上图描述了链路层以太网帧的基本格式及各个字段的大小：

以太网帧有最小和最大尺寸的规定，除有效载荷（上层协议PDU）部分，其他四部分固定占有18字节：

有效载荷部分的最大长度，即1500字节，也被称为以太网的MTU（最大传输单元）。

上图描述了ARP消息的格式及各个字段的大小：

对于一个ARP请求，它的任务是寻找目的协议地址（已知）对应的目的硬件地址（未知），所以除了目的硬件地址设为0，其他字段均需填写；

当所请求的系统接收到ARP请求，它填充自己的硬件地址，将两个源地址和两个目的地址互换，将Op字段设置为2，然后发送生成的应答。

ARP帧中存在重复信息：以太网头部和ARP消息中均包含发送方的MAC地址。

ARP高效运行的关键是每个主机和路由器上的ARP缓存。

在Linux下，我们可以使用arp命令查看本机的ARP缓存。

Flags字段的C表示该条目是由ARP协议动态学习而来；若为M表示是手工输入的；若为P表示“发布”。

从上图看，我的云服务器上只有其默认网关的ARP缓存。

当系统接收到发送给它的ARP请求时，除了发送ARP应答，它还会在其ARP缓存中保存请求者的IP地址和MAC地址。

ARP缓存是有超时时间的，通常，完整条目的超时为20分钟，不完整条目的超时为3分钟。并且通常在每次使用一个条目后为它重新启动20分钟的超时。

对一个不存在的主机进行ARP请求，就会在ARP缓存中生成一个不完整条目。

下面通过一个实际场景描述ARP的工作流程。

场景：主机A要给同一子网内的主机B发送消息，我们假设主机A和主机B的ARP缓存中中均没有对方的IP地址和MAC地址映射信息。主机A和主机B的IP地址和MAC地址如下。

主机A的IP地址：10.0.0.56；

主机A的MAC地址：00:00:c0:6f:2d:40；

主机B的IP地址：10.0.0.3；

主机B的MAC地址：00:00:c0:c2:9b:26。

主机A发现自己不知道主机B的MAC地址，无法封装以太网帧，所以发出如下ARP请求帧：

这个ARP请求帧相当于主机A在子网内广播了这样一条消息：IP地址为10.0.0.3的主机，请把你的MAC地址告诉我！

由于是广播，所以子网内的所有主机的以太网接口都可以接收到该ARP请求帧，IP地址不是10.0.0.3的主机将主动丢弃该帧。

而主机B接收到ARP请求后，发现自己的IP地址与请求中的IP地址一致，所以它做出反应：发送ARP应答帧：

同时，主机B还会把主机A的IP地址及对应的MAC地址添加到自己的ARP缓存中。

主机A收到ARP应答帧后，就有了主机B的MAC地址，加上之前已知的主机B的IP地址，也一同添加到自己的ARP缓存中。

这就是一个完整的ARP请求/应答流程。有了主机B的MAC，主机A就可以给主机B发送消息了。

代理ARP的原理就是当出现跨网段的ARP请求时，路由器将自己的MAC地址返回给发送ARP请求的发送者，实现MAC地址代理（善意的欺骗），最终使得主机能够通信。

免费ARP的特殊之处在于，ARP请求中的源IP地址和目的IP地址均为请求发送者的IP地址，即：主机发送ARP请求寻找自己的MAC地址。

免费ARP有两个用处：

如上述主机A检测自己的IP地址是否冲突，可发送免费ARP如下：

ACD是IPv4地址冲突检测的简称，用途顾名思义，就是检测IP地址是否冲突的，一般在通过DHCP获取IP地址后，DHCP客户机通过ACD技术检测分配的IP地址是否冲突。

ACD技术是通过ARP协议来完成的。

ACD定义了ARP探测消息和ARP通告消息。

ARP探测消息是一个特殊的ARP请求，特殊在其源IP地址字段被设置为0。ARP探测分组用于查看IP地址是否被其他主机占用。

还是以上述的主机A为例，ARP探测消息如下：

ARP探测消息的源IP地址设置为0，是为了避免候选IP地址（10.0.0.56）被另一台主机使用时的缓存污染。

当主机A发送自己的ARP探测时，它可能接收到ARP请求或应答：

以上两种情况，主机A都会生成一个地址冲突消息，如果是DHCP分配的该IP地址，则发送DHCPDECLINE消息拒绝该IP地址。

如果通过ARP探测消息发现，10.0.0.56没有被其他主机占用，即没有出现IP地址冲突，则主机A会间隔2秒向子网广播发送2个ARP通告消息，以表明它现在占用这个IP地址（10.0.0.56）。

可以看到ARP通告消息其实跟免费ARP没有区别。

ACD是一个持续的过程，这是它与免费ARP的区别。当主机A通告了它正在使用IP地址10.0.0.56后，它会继续接收ARP请求/应答消息，查看自己的IP地址（10.0.0.56）是否出现在这些ARP请求/应答消息的源IP地址字段中。如果是的话，说明其他主机正在与自己使用相同的IP地址。对于这种情况，有三种解决方案：