地址解析协议(ARP)
地址解析协议(ARP)主要用于实现从 IP 地址到物理地址(MAC 地址)的映射。
一、工作原理
- 当一台主机需要向同一网络中的另一台主机发送数据时,它首先会检查自己的 ARP 缓存表,看是否有目标 IP 地址对应的 MAC 地址。
- 如果在 ARP 缓存表中找到了目标 IP 地址对应的 MAC 地址,就可以直接使用该 MAC 地址封装数据帧进行发送。
- 如果没有找到,主机就会发送一个 ARP 请求广播包。这个广播包会询问“谁有这个 IP 地址?请告诉我你的 MAC 地址。”
- 同一网络中的所有主机都会收到这个广播包,但只有目标主机的 IP 地址与请求中的 IP 地址匹配时,才会回应一个 ARP 应答包,其中包含自己的 MAC 地址。
- 发送请求的主机收到应答包后,就会将目标 IP 地址和对应的 MAC 地址存入自己的 ARP 缓存表中,以便下次使用。
二、作用
ARP 协议在网络通信中起着至关重要的作用:
1.实现 IP 地址到 MAC 地址的转换,使得数据能够在局域网中准确地传输到目标设备。
2.提高网络通信效率,避免每次通信都要进行 ARP 请求,减少网络流量和延迟。
三、注意事项
- ARP 缓存表可能会出现过期或错误的情况,例如主机的 MAC 地址发生变化或者长时间未通信导致缓存过期。
- ARP 协议也可能会被恶意利用,例如 ARP 欺骗攻击,攻击者可以伪造 ARP 应答包,误导其他主机将数据发送到错误的 MAC 地址,从而窃取或篡改数据。
总之,ARP 协议是网络通信中不可或缺的一部分,但也需要注意其安全性和稳定性。
ARP 协议的工作原理如下:
- 维护 ARP 缓存表:
- 网络中的每台主机或三层网络设备都会维护一张 ARP 缓存表,也叫 ARP 表。这是一个用于存储 IP 地址和 MAC 地址映射关系的缓冲区。表中的每一个条目记录了网络上其他主机的 IP 地址和对应的 MAC 地址。每个以太网或令牌环网络适配器都有自己单独的表。
- ARP 缓存表中的条目分为动态条目和静态条目。动态条目会随时间推移自动添加和删除,其潜在生命周期一般为 10 分钟左右。新加到缓存中的项目带有时间戳,如果某个项目添加后 2 分钟内没有再使用,则此项目过期并从 ARP 缓存中删除;如果某个项目已在使用,则又收到 2 分钟的生命周期;如果某个项目始终在使用,则会另外收到 2 分钟的生命周期,一直到 10 分钟的最长生命周期。而静态项目一直保留在缓存中,直到重新启动计算机为止。
- 发送数据前的查询:
- 当主机需要向另一台主机发送数据时,首先会根据路由表确定转发的 IP 地址,然后检查本地的 ARP 缓存表,查看是否有目标主机 IP 地址对应的 MAC 地址。
- ARP 请求广播(当缓存中未找到目标 MAC 地址时):
- 如果在 ARP 缓存中没有找到目标主机的 MAC 地址,发送端主机会广播一个 ARP 请求帧到本地网络上的所有主机。ARP 请求包中包含源主机的 IP 地址和 MAC 地址,以及目标主机的 IP 地址(目标 MAC 地址字段在请求时设为全 0)。
- 本地网络上的每台主机都会接收到这个 ARP 请求,并且检查是否与自己的 IP 地址匹配。如果主机发现请求的 IP 地址与自己的 IP 地址不匹配,它将丢弃该 ARP 请求。
- ARP 应答:
- 目标主机确定 ARP 请求中的 IP 地址与自己的 IP 地址匹配后,会将源主机(即发送 ARP 请求的主机)的 IP 地址和 MAC 地址映射添加到自己的 ARP 缓存中。
- 然后目标主机会向源主机发送一个 ARP 应答消息,该消息是单播的,其中包含了自己的 MAC 地址。
- 更新 ARP 缓存并通信:
- 源主机收到目标主机的 ARP 回复消息时,会用目标主机的 IP 和 MAC 地址映射更新自己的 ARP 缓存。
- 完成上述过程后,源主机就获取到了目标主机的 MAC 地址,便可以使用该 MAC 地址将数据封装成帧,通过局域网将数据发送给目标主机。
ARP 协议的主要用途包括以下三个方面:
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IP 地址到 MAC 地址的解析:- 在网络通信中,数据链路层使用 MAC 地址来标识和传输数据,但网络层使用 IP 地址来进行逻辑寻址。当一台主机要向另一台主机发送数据时,需要知道目标主机的 MAC 地址才能将数据正确封装成数据帧在物理网络中传输。ARP 协议就是在这种情况下发挥作用,根据已知的目标 IP 地址查询并获取对应的 MAC 地址,从而实现 IP 地址到 MAC 地址的转换,确保数据能够准确地发送到目标主机。例如,在一个局域网中,主机 A 要向主机 B 发送数据,A 首先通过 ARP 协议获取 B 的 MAC 地址,然后将数据帧发送给 B。
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维护 IP 地址与 MAC 地址的映射关系缓存:- 为了提高通信效率,减少不必要的 ARP 请求广播,每台主机和网络设备都会维护一个 ARP 缓存表。当主机通过 ARP 协议获取到一个 IP 地址与 MAC 地址的映射关系后,会将其存储在 ARP 缓存表中。下次再向同一个 IP 地址发送数据时,就可以直接从缓存表中查找对应的 MAC 地址,而无需再次发送 ARP 请求,节省了网络资源和通信时间。不过,ARP 缓存表中的条目是有有效期的,超过一定时间没有使用的条目会被删除,以保证缓存表中信息的准确性。
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网段内重复 IP 地址的检测:- 当一台主机加入网络时,它可以通过发送 ARP 请求来检测网络中是否已经存在使用相同 IP 地址的其他主机。如果该主机收到了针对自己 IP 地址的 ARP 应答,就说明网络中存在 IP 地址冲突,需要重新配置 IP 地址。这种检测机制可以帮助网络管理员及时发现和解决 IP 地址冲突问题,保证网络的正常运行。