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APR 协议
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议） ：是一种用于将 IP 地址 解析为对应的 MAC 地址 的网络协议，主要用于局域网（LAN）内部通信
在局域网中，数据帧的传输依赖与 MAC 地址，而网络层使用的是 IP 地址，ARP 的作用就是在已知目标 IP 地址的前提下，获取其对应的 MAC 地址，从而完成数据帧的封装和发送
例如：主机 A（IP: 192.168.1.10）想向主机 B（IP: 192.168.1.20）发送数据，但不知道 B 的 MAC 地址 → A 发送 ARP 请求 → B 回复 ARP 响应 → A 得到 B 的 MAC 地址 → 开始通信
ARP 报文结构
字段名 |
长度（字节） |
说明 |
硬件类型 |
2 |
如以太网=1 |
协议类型 |
2 |
如 IPv4=0x0800 |
硬件地址长度 |
1 |
MAC 地址长度，通常为 6 |
协议地址长度 |
1 |
IP 地址长度，通常为 4 |
操作码（OpCode） |
2 |
1=请求，2=应答 |
发送方 MAC 地址 |
6 |
发送者的物理地址 |
发送方 IP 地址 |
4 |
发送者的 IP 地址 |
目标 MAC 地址 |
6 |
请求时为全0，应答时为目标 MAC |
目标 IP 地址 |
4 |
要查询的 IP 地址 |
ARP 工作流程
当 主机 A 想要向同一局域网内的 主机 B 发送数据时：
- 主机 A 查看自己的 ARP 缓存表，看是否有主机 B 的 IP 对应的 MAC 地址。
- 如果没有，则广播发送一个 ARP 请求报文（目标 MAC 为 FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
- 局域网内所有主机收到该请求，只有目标 IP 匹配的主机 B 会响应。
- 主机 B 回复一个 ARP 应答报文（单播），包含自己的 MAC 地址。
- 主机 A 收到应答后，更新 ARP 缓存，并用该 MAC 地址封装数据帧发送给主机 B。
ARP 缓存（ARP Cache）
操作系统维护了一个 ARP 缓存表，记录 IP 地址与 MAC 地址的映射关系，避免频繁广播
查看：
windows：arp -a
Linux：arp -n 或 ip neigh
例如：
其中：
dynamic：表示该条目通过 ARP 协议动态学习到
static：表示是 系统预设，不需要学习
其中，动态 ARP 条目有超时时间（TTL），而静态 ARP 条目没有
ARP 缓存中的 动态条目 采用 “空闲超时”机制（idle timeout），即只要在 TTL 时间内，主机与目标 IP 之间有数据通信（发送或接收），系统就会重置该 ARP 条目的计时器，重新开始倒计时
例如：
假设当前操作系统的 TTL 设置为 15min
在 10:00:00 通过 ARP 获取了 192.168.173.176 的 MAC 地址 → 动态条目创建，TTL=15分钟
在 10:05:00 时，ping 了一次 192.168.173.176 → 系统发现已有缓存，直接使用，同时重置 TTL 为 15 分钟（新到期时间：10:20:00）
在 10:18:00 又发了一次 HTTP 请求给该 IP → 再次重置 TTL（新到期时间：10:33:00）
从 10:33:00 开始，不再与该 IP 通信，则 条目将在 10:48:00 被系统自动删除
接下来，我们通过 wireshark 抓包分析 ARP 请求与响应：
我们先来看 ARP 请求
ARP 请求
thernet II 层（数据链路层）：
源 MAC 地址：e0:0a:f6:a7:c5:37，即 发送方的物理地址
目的 MAC 地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff，广播地址，表示“发送给局域网内所有设备”
Type 字段：0x0806，表示上层是 ARP 协议
ARP 协议头：
| 字段 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
Hardware type |
Ethernet (1) |
网络类型为以太网 |
Protocol type |
IPv4 (0x0800) |
上层协议是 IPv4 |
Hardware size |
6 |
MAC 地址长度为 6 字节 |
Protocol size |
4 |
IP 地址长度为 4 字节 |
Opcode |
request (1) |
类型为 ARP 请求 |
Sender MAC address |
|
发送者的 MAC 地址 |
Sender IP address |
|
发送者的 IP 地址 |
Target MAC address |
|
目标 MAC 未知，用全 0 表示 |
Target IP address |
|
要查询的目标 IP 地址 |
也就是说主机A 构造了一个 ARP 请求报文，主要包括：
源 IP：192.168.173.131
源 MAC：e0:0a:f6:a7:c5:37
目标 IP：192.168.173.225
目标 MAC：00:00:00:00:00:00（未知）
并将该报文封装在 以太网帧 中，目标 MAC 设置为广播地址 ff:ff:ff:ff:ff:ff，并将其广播到整个局域网，所有主机收到后会检查 目标 IP 是否是自己的 IP，若是，则回复 ARP 响应
接下来，我们继续来看 ARP 响应
ARP 响应
Ethernet II 层（数据链路层）：
源 MAC 地址：b6:81:51:eb:37:37，回应方的物理地址
目的 MAC 地址：e0:0a:f6:a7:c5:37，之前发送 ARP 请求的主机 MAC地址
Type 字段：0x0806，表示上层是 ARP 协议
ARP 协议头：
| 字段 | 值 | 说明 |
Opcode |
reply (2) |
类型为 ARP 响应（不是请求） |
Sender MAC address |
|
发送者的 MAC 地址（即目标主机） |
Sender IP address |
|
发送者的 IP 地址（即被查询的目标） |
Target MAC address |
|
接收者的 MAC 地址（即请求者） |
Target IP address |
|
接收者的 IP 地址（即发起请求的主机） |
即，主机 B 收到 ARP 请求，发现目标 IP 是自己，发送 ARP 响应：我是 192.168.173.225，我的 MAC 是 b6:81:51:eb:37:37，请用这个地址与我通信
主机 A 收到响应后，会将 192.168.173.225 → b6:81:51:eb:37:37 存入 ARP 缓存，后续通信可以直接使用该 MAC 地址封装数据帧
查看缓存是否更新：
ARP 缓存已成功添加
上述是 ARP 成功响应的情况，那若一段时间内 主机 A 未收到 ARP 响应，该如何处理呢？
ARP 请求后未收到响应
常见原因
首先，我们来分析什么情况下可能会出现收不到 ARP 响应：
| 原因 | 说明 |
目标主机不存在或关机 |
IP 地址无人使用 |
目标主机禁用了 ARP 响应 |
如防火墙、安全策略阻止 |
网络物理不通 |
网线断、交换机端口 down、VLAN 隔离等 |
广播被阻断 |
如无线 AP 隔离、路由器不转发广播、防火墙丢弃广播包 |
目标主机 ARP 缓存已满或异常 |
无法处理新请求 |
网络中存在 ARP 攻击或干扰 |
如泛洪导致包被丢弃 |
如何处理
ARP 请求会进行重传，操作系统不会只发一次 ARP 请求就放弃。通常会 重试多次，每次间隔递增
例如：
默认重试次数：3 次
默认超时间隔：约 1 秒 → 2 秒 → 4 秒（指数退避）
总等待时间 ≈ 7~8 秒
若此时仍无响应 —> 返回 "目标主机不可达"
此时，操作系统会在 邻居表（Neighbor Table） 中将该 IP 标记为 FAILED，表示 该 IP 的 MAC 地址解析失败，暂时无法通信
并通知上层协议 "目标不可达"：
TCP协议：
若是 TCP 连接（如访问网页、SSH）
→ TCP 层会持续重传 SYN 包，但因为底层 ARP 失败，数据帧无法发出
→ 最终 TCP 超时（通常几十秒后报错），此时应用层看到：“连接超时”、“No route to host”
UDP协议：
由于 UDP 无连接，因此会直接丢弃数据包，不通知应用层（除非应用自己实现超时）
后续恢复
即使 ARP 失败，系统也不会永久放弃：
再次重试：当应用再次尝试访问该 IP 时 → 触发新的 ARP 请求
收到 "免费 ARP" 或 "对方主动通信" 时恢复：如果目标主机之后上线并发送了免费 ARP 或任何数据包 → 本机自动更新邻居表，通信恢复正常
其中，免费 ARP（Gratuitous ARP）是一种特殊的ARP 报文
免费 ARP（Gratuitous ARP）
免费 ARP（Gratuitous ARP） 是一种特殊的 ARP 报文，它不是为了 “请求解析” 某个 IP 的 MAC 地址，而是主动广播“自我声明”，它的 “目标 IP” 与 “发送者 IP” 相同，主动宣告自己的 IP-MAC 映射关系，通常用于通知或刷新局域网内其他主机的 ARP 缓存
其报文格式如下示例：
Frame 100: Gratuitous ARP for 192.168.1.100
Ethernet II:
Src: aa:bb:cc:dd:ee:ff
Dst: ff:ff:ff:ff:ff:ff (广播)
ARP:
Opcode: request (1)
Sender IP: 192.168.1.100
Target IP: 192.168.1.100 ← 目标 IP = 自己 IP
Sender MAC: aa:bb:cc:dd:ee:ff
Target MAC: 00:00:00:00:00:00
表示：我是 192.168.1.100，MAC 是 aa:bb:cc:dd:ee:ff
其主要作用为：
检测 IP 地址冲突：
当主机开机或配置 IP 后，就会立即发送免费 ARP，如果局域网内已有主机使用相同 IP，此时可能会弹出警告或记录日志
主动刷新其他主机的 ARP 缓存：
当主机 MAC 地址变更（如更换网卡、虚拟机迁移、HSRP/VRRP 主备切换），就会发送免费 ARP → 告诉大家：“我的 IP 对应的 MAC 变了！”
接收方收到后，即使 ARP 缓存中已有该 IP 的条目，也会更新为新的 MAC
预热 ARP 缓存（提前注册）：
服务器启动后立即广播免费 ARP → 让交换机和邻居提前学习 MAC 地址，从而减少后续通信的 ARP 延迟（首包不卡顿）
用于高可用协议（如 VRRP、HSRP、Keepalived）：
虚拟路由器主备切换时，新主机会发送免费 ARP："虚拟 IP 192.168.1.1 现在由我（新 MAC）负责"，从而确保流量快速切换到新主机，避免通信中断