详解 ARP 与 RARP 协议

「爱情、让人受尽委屈。」 2021-09-12 01:18 428阅读 0赞

## ARP 与 RARP 协议 ##

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**通常我们只要确定了 IP 地址即可向目标发送数据报。然而，在底层数据链路层，进行实际通信时却有必要了解每个 IP 地址所对应的 MAC 地址。ARP 正是一种解决地址问题的协议。**

ARP 以目标 IP 地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的 MAC 地址。如果目标主机不在同一个链路上时。可以通过 ARP 查找下一跳路由器的 MAC 地址。不过 ARP 只适用于 IPv4，不能用于 IPv6。IPv6 中可以用 ICMPv6 替代 ARP 发送邻居探索消息。

## ARP 的工作机制 ##

**ARP 通过请求与响应两种类型包来确定 MAC 地址。**

如下图所示，假定主机 A （`172.20.1.1`）向同一链路上的主机 B （`172.20.1.2`）发送 IP 包，它们互不知道对方的 MAC 地址。

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**主机 A 为了获得主机 B 的 MAC 地址，起初要通过广播发送一个 ARP 请求包，这个包中包含了想要了解其 MAC 地址的主机 IP 地址（即 ARP 请求包中包含了主机 B 的 IP 地址 `172.20.1.2` ）**。由于广播的包可以被同一链路上所有的主机或路由器接收，因此 ARP 的请求包也会被这同一链路上所有的主机和路由器进行解析。**如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致，那么这个节点就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包返回给主机 A。**

> 即 ARP 协议是通过往同一链路上的节点广播发送 ARP 请求包（含想了解 MAC 地址的节点 IP 地址），等待目标节点返回响应包来获取其 MAC 地址，从而实现链路内的 IP 通信。

根据 ARP 可以动态地进行地址解析，因此 TCP/IP 的网络构造和网络通信中无需事件知道 MAC 地址究竟是什么，只要有 IP 地址即可。

### 如何解决每次发送 IP 数据报都要进行一次 ARP 请求 ？ ###

如果每次发送一个 IP 数据报都要进行一次 ARP 请求以此确定 MAC 地址，那将会造成不必要的网络流量。因此，**通常的做法是把获取到的 MAC 地址与其 IP 地址的映射关系缓存一段时间。**这样下一次再向这个 IP 地址发送数据报时就无需再重新发送 ARP 请求，而是直接使用缓存表中的 MAC 地址。这样，在一定程度上可以防止 ARP 包在网络上被大量广播的可能性。

一般来说，发送过一次 IP 数据报的主机，继续发送多次 IP 数据报的可能性会比较高。因此，这种缓存能有效地减少 ARP 包的发送**。反之，接收 ARP 请求的那个主机又可以从这个 ARP 请求包中获取发送端主机的 IP 和 MAC 地址，这时它也可以将这些 MAC 地址缓存起来，从而根据 MAC 地址发送响应包给发送端主机。**

## 为什么即需要 IP 地址，还需要 MAC 地址 ##

可能有人会疑惑："数据链路上只要知道接收端的 MAC 地址不就知道数据发送给主机 B 吗，为什么还需要 IP 地址？如果知道 IP 地址，即使不做 ARP，只要在数据链路上做一个广播不就能发给主机 B 了吗？那 ARP 这不是在做多余的事情吗？"

**此时我们要考虑一下以下情况，即：发送给其它数据链路中某一主机时；**

如下图所示，当主机 A 想要发送给 IP 数据报给主机 B 时必须得经过路由器 C。即使知道了主机 B 的 MAC 地址，由于路由器 C 会隔断两个网络，还是无法实现直接从主机 A 发送数据报给主机 B。此时，主机 A 必须得先将数据报发送给路由器 C 的 MAC 地址 C1。

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此外，假定 MAC 地址就用广播地址，那么路由器 D 也将会收到该广播消息。于是路由器 D 又将该消息转发给路由器 C，导致数据包被重复发送两次。

> **IP 地址与 MAC 地址承当着不同的作用，IP 地址是目标的地址，而 MAC 地址承担着 "下一目标" 的地址，数据报要经过多次中转才能到达最终的目标上。**
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> **在以太网上发送 IP 包时，"下次要经由哪个路由器发送数据报"，这一信息非常重要。而这里的 "下一个路由器" 就是相应的 MAC 地址。**

如此看来，IP 地址和 MAC 地址两者缺一不可。于是就有将这两个地址相关联的 ARP 协议。

我们再试想一下，倘若不使用 IP 地址，而是通过 MAC 地址连接世界上所有网络中所有的主机和节点情况。仅仅凭一个 MAC 地址，人们是无法知道这台机器所处的位置的。而如果全世界设备都使用 MAC 地址相连，那么网桥在习得之前就得向全世界发送包。可想而知那将会造成多大的网络流量。并且网桥还得维护一张巨大的表来维护所有学到的 MAC 地址，一旦这些信息超过网桥所能承受的极限，那将会导致网桥无法正常工作。

## RARP ##

**RARP（Reverse Address Resolution Protocol）是将 ARP 反过来，从 MAC 地址定位 IP 地址的一种协议。**

例如将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时就经常用到。平常我们可以通过个人电脑设置 IP 地址，也可以通过 DHCP 自动分配获取 IP 地址。然而，对于使用嵌入式设备时，会遇到没有任何输入接口或无法通过 DHCP 动态获取 IP 地址的情况。在类似情况下，就可以使用 RARP。

为此，需要架设一台 RARP 服务器，从而在这个服务器上注册设备的 MAC 地址及其 IP 地址。然后再将这个设备接入到网络，插电启动设备时，该设备就会发送一条 "我的 MAC 地址是 \*\*\*，请告诉我，我的 IP 地址应该是什么"的请求信息。RARP 服务器接收到这个消息后返回类似于 "MAC 地址为 \*\*\* 的设备，IP 地址为 \*\*\*"的信息给这个设备。而设备就根据从 RARP 服务器所收到的应答信息设置自己的 IP 地址。

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## 代理 ARP ##

通常 ARP 包会被路由器隔离，但是采用代理 ARP 的路由器时，可以将 ARP 请求转发给邻居的网段。由此，两个以上的网段节点之间可以像在同一个网段中一样进行通信。

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