1.5　ARP协议工作原理

ARP协议能实现任意网络层地址到任意物理地址的转换，不过本书仅讨论从IP地址到以太网地址（MAC地址）的转换。其工作原理是：主机向自己所在的网络广播一个ARP请求，该请求包含目标机器的网络地址。此网络上的其他机器都将收到这个请求，但只有被请求的目标机器会回应一个ARP应答，其中包含自己的物理地址。

1.5.1　以太网ARP请求/应答报文详解

以太网ARP请求/应答报文的格式如图1-9所示。

图1-9所示以太网ARP请求/应答报文各字段具体介绍如下。

由图1-9可知，ARP请求/应答报文的长度为28字节。如果再加上以太网帧头部和尾部的18字节（见图1-6），则一个携带ARP请求/应答报文的以太网帧长度为46字节。不过有的实现要求以太网帧数据部分长度至少为46字节（见图1-4），此时ARP请求/应答报文将增加一些填充字节，以满足这个要求。在这种情况下，一个携带ARP请求/应答报文的以太网帧长度为64字节。

1.5.2　ARP高速缓存的查看和修改

通常，ARP维护一个高速缓存，其中包含经常访问（比如网关地址）或最近访问的机器的IP地址到物理地址的映射。这样就避免了重复的ARP请求，提高了发送数据包的速度。

Linux下可以使用arp命令来查看和修改ARP高速缓存。比如，ernest-laptop在某一时刻（注意，ARP高速缓存是动态变化的）的ARP缓存内容如下（使用arp-a命令）：

Kongming20 (192.168.1.109) at 08:00:27:53:10:67 [ether] on eth0
?(192.168.1.1) at 14:e6:e4:93:5b:78 [ether] on eth0

其中，第一项描述的是另一台测试机器Kongming20（注意，其IP地址、MAC地址都与图1-8描述的一致），第二项描述的是路由器。下面两条命令则分别删除和添加一个ARP缓存项：

$ sudo arp –d 192.168.1.109            #删除Kongming20对应的ARP缓存项
$ sudo arp –s 192.168.1.109 08:00:27:53:10:67    #添加Kongming20对应的ARP缓存项

1.5.3　使用tcpdump观察ARP通信过程

为了清楚地了解ARP的运作过程，我们从ernest-laptop上执行telnet命令登录Kongming20的echo服务（已经开启），并用tcpdump（详见第17章）抓取这个过程中两台测试机器之间交换的以太网帧。具体的操作过程如下：

$ sudo arp –d 192.168.1.109            #清除ARP缓存中Kongming20对应的项
$ sudo tcpdump -i eth0 -ent '(dst 192.168.1.109 and src 192.168.1.108)or
(dst 192.168.1.108 and src 192.168.1.109)'    #如无特殊声明，抓包都在机器ernest-
                              laptop上执行
$ telnet 192.168.1.109 echo            #开启另一个终端执行telnet命令
Trying 192.168.1.109...
Connected to 192.168.1.109.
Escape character is '^]'.
^]（回车）                        #输入Ctrl+]并回车

telnet> quit（回车）
Connection closed.

在执行telnet命令之前，应先清除ARP缓存中与Kongming20对应的项，否则ARP通信不被执行，我们也就无法抓取到期望的以太网帧。当执行telnet命令并在两台通信主机之间建立TCP连接后（telnet输出“Connected to 192.168.1.109”），输入Ctrl+］以调出telnet程序的命令提示符，然后在telnet命令提示符后输入quit，退出telnet客户端程序（因为ARP通信在TCP连接建立之前就已经完成，故我们不关心后续内容）。tcpdump抓取到的众多数据包中，只有最靠前的两个和ARP通信有关系，现在将它们列出（数据包前面的编号是笔者加入的，后同）：

1. 00:16:d3:5c:b9:e3 > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 42: Request who-has 192.168.1.109 tell 192.168.1.108, length 28
2. 08:00:27:53:10:67 > 00:16:d3:5c:b9:e3, ethertype ARP (0x0806), length 60: Reply 192.168.1.109 is-at 08:00:27:53:10:67, length 46

由tcpdump抓取的数据包本质上是以太网帧，我们通过该命令的众多选项来控制帧的过滤（比如用dst和src指定通信的目的端IP地址和源端IP地址）和显示（比如用-e选项开启以太网帧头部信息的显示）。

第一个数据包中，ARP通信的源端的物理地址是00:16:d3:5c:b9:e3（ernest-laptop），目的端的物理地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff，这是以太网的广播地址，用以表示整个LAN。该LAN上的所有机器都会收到并处理这样的帧。数值0x806是以太网帧头部的类型字段的值，它表示分用的目标是ARP模块。该以太网帧的长度为42字节（实际上是46字节，tcpdump未统计以太网帧尾部4字节的CRC字段），其中数据部分长度为28字节。“Request”表示这是一个ARP请求，“who-has 192.168.1.109 tell 192.168.1.108”则表示是ernest-laptop要查询Kongming20的IP地址。

第二个数据包中，ARP通信的源端的物理地址是08:00:27:53:10:67（Kongming20），目的端的物理地址是00:16:d3:5c:b9:e3（ernest-laptop）。“Reply”表示这是一个ARP应答，“192.168.1.109 is-at 08:00:27:53:10:67”则表示目标机器Kongming20报告其物理地址。该以太网帧的长度为60字节（实际上是64字节），可见它使用了填充字节来满足最小帧长度。

为了便于理解，我们将上述讨论用图1-10来详细说明。

关于该图，需要说明三点：

第一，我们将两次传输的以太网帧按照图1-6所描述的以太网帧封装格式绘制在图的下半部分。

第二，ARP请求和应答是从以太网驱动程序发出的，而并非像图中描述的那样从ARP模块直接发送到以太网上，所以我们将它们用虚线表示，这主要是为了体现携带ARP数据的以太网帧和其他以太网帧（比如携带IP数据报的以太网帧）的区别。

第三，路由器也将接收到以太网帧1，因为该帧是一个广播帧。不过很显然，路由器并没有回应其中的ARP请求，正如前文讨论的那样。