ARP协议和RARP协议

地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP）协议是与物理网络相关的标准协议，它负责把上层协议地址（IP地址）转换成物理网络地址。RARP协议和ARP协议相反，把物理网络地址转换成上层协议地址（IP地址）。

ARP协议

在单个物理网络中，每个主机通过物理硬件地址和网络中的其它地址通信。上层协议地址是以一种符号地址被记录的（IP地址）。当主机想向另一个IP地址是w.x.y.z的主机发送IP数据报时，网卡驱动器不理解这个地址的含义。

因此，物理网络层提供了ARP模块来将IP地址翻译成物理网络地址，ARP模块使用一个查询表（也叫ARP缓存）来进行这个翻译操作。当IP地址在ARP缓存中不存在时，ARP模块就会发送一个ARP请求的广播。如果网络中某一个主机的IP地址和ARP请求中的IP地址相同，它就会发送ARP应答给ARP请求发起主机，ARP应答中包含发送方主机的物理地址和源路由信息（如果数据报跨越了网桥）。发起主机会把目标主机的物理地址和路由信息存储在ARP缓存中，接下来的所有到该目标主机的数据报就可以转换成物理地址，网卡驱动器就可以发送IP数据报了。

一个例外的情况就是异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode, ATM），ARP请求不能像上述过程一样被实现。因此ATM网络中的主机在初始化的时候必须显式注册ARP服务器来解析IP地址到物理地址。

ARP协议定义在RFC 826中，它仅仅描述了ARP协议的功能，并没有定义它的实现。它的实现很大程度上依赖对特定网络类型的网卡驱动，功能一般集成在网卡微代码中。

虽然ARP协议用来解析IP地址和MAC地址的映射关系，看起来是工作在网络层，然而它的操作是在数据链路层，其实现的代码也是在网卡驱动中，它应该属于数据链路层。

ARP协议数据包

当应用程序想向特定IP地址发送数据时，IP路由机制首先就会决定数据报的下一跳IP地址和需要使用哪个网卡来发送数据。ARP模块试图从ARP缓存中查询下一跳对应的48位物理地址（MAC地址），如果ARP缓存中没找到，它会暂存数据报，然后生成ARP请求数据包并在网络中进行广播，得到ARP应答之后网卡从应答数据包中提取IP地址和MAC地址并更新ARP缓存，然后将暂存的数据报发送给目标MAC。

ARP数据包的格式如下：

erDiagram
    arp["ARP Request/Reply"] {
        bytes DestAddress           "目标以太网地址，6字节，ff:ff:ff:ff:ff:ff，广播地址"
        bytes SourceAddress         "源以太网地址，6字节"
        bytes FrameType             "物理帧类型，2字节"
        bytes HardwareType          "硬件类型，2字节"
        bytes ProtocolType          "协议类型，2字节"
        bytes HardwareAddressLength "硬件地址长度，1字节"
        bytes ProtocolAddressLength "协议地址长度，1字节"
        bytes OperationCode         "操作码，2字节"
        bytes SourceHardwareAddress "源硬件地址，6字节"
        bytes SourceProtocolAddress "源协议地址，4字节"
        bytes DestHardwareAddress   "目标硬件地址，6字节"
        bytes DestHardwareAddress   "目标协议地址，4字节"
    }

协议类型取值为IP或ARP

操作码取值为：

• 1 ARP请求
• 2 ARP应答

源协议/目标协议地址，当使用TCP/IP协议的时候，它们就是IPV4地址。

ARP数据包处理流程

flowchart
    start[开始]
    check_hardware_type[本机是否拥有指定硬件类型？]
    check_protocol[本机是否支持协议？]
    check_arp_cache[协议/发送方是否在本机ARP缓存中？]
    check_dest_address[本机是否时目标协议地址？]
    check_flag[flag是否为false？]
    check_opcode[是否是ARP请求？]

    discard[丢包]
    set_flag_false[设置flag=false]
    update_arp_cache[ARP缓存更新中发起方MAC地址，设置flag=true]
    add_arp_cache[ARP缓存中新增发起方信息]
    generate_arp_reply[构造ARP应答数据包]

    start--> check_hardware_type
    check_hardware_type -- NO ---> discard
    check_hardware_type -- Next ---> check_protocol

    check_protocol -- NO --> discard
    check_protocol -- YESOP --> set_flag_false
    check_protocol -- Next ---> check_arp_cache

    check_arp_cache -- YESOP --> update_arp_cache
    check_arp_cache -- NO --> check_dest_address

    check_dest_address -- NO ---> discard
    check_dest_address --> check_flag

    check_flag -- YESOP --> add_arp_cache
    check_flag -- NO ---> check_opcode

    check_opcode -- YES --> generate_arp_reply
    check_opcode -- NO ---> discard

    generate_arp_reply --> ending
    discard --> ending

    ending[结束]

上图中YESOP为条件为真时执行的操作

ARP请求发起主机接收到ARP应答后，执行相同的处理逻辑，因此目标主机的地址信息会被更新到ARP缓存中。上层协议发送数据报的时候，ARP模块就会知道目标主机的物理地址并发出数据报。

ARP缓存采用老化机制，在一段时间内如果ARP表某一行没有被使用，就会被删除，这样可以减少ARP缓存的大小，加快查询速度。

有一种特殊的ARP请求，被称为无回报的ARP请求（Gratuitous ARP），它向网络中的主机发送ARP请求查询自己的IP地址，主机向网络中发送这种ARP请求来确定自己的IP地址是唯一可用，作用：

• 确定网络中是否有其它主机使用了该IP，如果有应答则产生错误消息
• 更新其它主机的ARP缓存，网络中的其它主机收到此类ARP请求后可以（具体以来平台实现）将该ARP请求中的IP地址和MAC地址更新到ARP缓存中，不过为了防止ARP欺骗攻击，一般需要更多的安全检查

Proxy-ARP

当网络进行了子网划分时，ARP协议处理逻辑不变，因为每个IP数据报首先要经过IP路由算法，路由算法选择使用哪个网卡发送数据报，此后ARP模块和网卡驱动的MAC地址开始关联。

Proxy-ARP协议是构建子网划分的另一种方法，它通过修改路由器的路由算法来避免修改原始的IP路由算法，主机不需要识别子网划分。

当一个物理网络划分了不同子网之后，不同子网中的主机不需要知道子网划分的存在，它们之间的跨子网通信流程如下图所示：

sequenceDiagram
    participant A as 主机A/192.168.1.2
    participant R as Router
    participant B as 主机B/192.168.2.2

    Note over A, B: 主机A准备发送IP数据报给B

    A ->> R: 发送ARP请求广播询问B的MAC地址
    A -->> B: 发送ARP请求广播询问B的MAC地址，B不会收到ARP请求
    R ->> A: 目标地址在另一个子网中且存在，将路由器MAC地址作为ARP应答返回给A
    A ->> R: 将发送给B的数据报发送给路由器R
    R ->> B: 路由器转发数据报给B

上述过程过程就是透明子网划分：

• 普通主机（A/B）不知道子网的存在，它们仍然仅使用网络编号进行路由
• 子网之间的路由器必须支持：
  • 子网划分路由算法
  • ARP模块需要修改，需要可以代替其它主机应答跨子网ARP请求

RARP协议

逆地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol，RARP）是一种网络相关的协议，被被用来将MAC地址转换成IP地址。

有些主机，比如无盘工作站，当启动时不知道自己的IP地址。为了确定自己的IP地址，它们使用一种和ARP协议类似的协议，不过主机MAC地址作为已知参数，IP地址作为查询参数。它和ARP协议的根本区别是RARP服务器必须在网络中存在，并要提前配置一个保存了物理地址和协议地址映射的数据库。

RARP查询和ARP查询工作方法相同，它们的数据包格式也相同，不过数据包中使用了不同的操作代码：

• 3 RARP请求
• 4 RARP应答

此外，RARP数据包的物理帧类型是0x8035，ARP是0x0806。

它们概念上的不同导致了以下特性：

• ARP协议仅假设每个主机都知道自己的物理地址和协议地址，RARP协议需要一个或多个主机维护物理地址和协议地址的数据库
• 因为RARP的数据库可能很大，RARP服务器的部分功能通常由网卡微代码意外的其它进程实现，网卡驱动负责接收和传输RARP帧
• RARP数据库由其它软件手动创建和更新
• 网络中可能存在多个RARP服务器，RARP请求发起方仅使用第一个RARP应答并会丢掉其它的应答

注释：

在计算机网络中，datagram和packet通常解释为：

• datagram 数据报，通常用于描述在不可靠传输协议（如UDP）中独立传输的数据单元
• packet 数据包，则是一个更广泛的术语，可以用于描述在各种网络协议（包括TCP和UDP）中传输的数据单元

参考

• 地址解析协议
• ChatGPT