理解ARP协议及其在网络层的作用

概念：

1. ARP协议(地址解析协议):由IP地址转换为MAC地址的协议。IP地址：网络号+主机号。MAC地址：数据链路层的物理地址(硬件地址)。IP协议使用了ARP协议，因此被划归为网络层，但其用途是从网络层使用的IP地址解析出数据链路层的硬件地址，因此有些也将其划归为数据链路层。与ARP协议成对的协议为RARP，它是从MAC地址到IP地址的转换。

2. 网络层使用的是IP地址，但在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是使用网络的硬件地址。但IP地址和网络的硬件地址本身存在格式上的不同，也没有什么直接的映射关系。同时，网络上也有不同的主机加入进来，或撤走一些主机，更换网络适配器也会使硬件地址改变，因此引入了ARP协议，ARP协议主要解决此类问题的方法是在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表经常动态更新。

3. 每个主机都有一个ARP高速缓存，里面有局域网的主机和路由器的IP到硬件地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。举个栗子哦，当主机A要给主机B发送报文时，主机A会在高速缓存中找是否有B的IP地址，如果有，则在ARP高速缓存中找到对应的硬件地址，再把这个地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发送到此硬件地址。也有可能查不到其IP地址，可能是由于主机B才入网，也可能是主机A刚加电，高速缓存还是空的。这种情况的话，主机A会自动运行ARP，来找出硬件地址。

(1) ARP在局域网中广播请求分组，找主机B的IP地址

(2) 在局域网上运行的主机都可以接收到ARP广播的消息，但只有主机B会有响应，其他主机则忽略该广播。

(3)主机B响应分组后，会在ARP响应分组中写入自己的硬件地址，此时的响应分组是单播的。刚刚广播是因为不知道主机是哪一个，现在知道了具体是哪一个主机后，主机B直接给主机A响应，因此是普通的单播。

(4) 主机A收到主机B的响应分组后，在ARP高速缓存中写入主机B的从IP地址到硬件地址的映射。为什么要将其写入ARP高速缓存呢，你发送数据报可能不止一次，当你发送完之后，主机B也给主机A响应后，可能也会发送数据报，这时如果没有ARP高速缓存，可能主机B也得以广播的方式先找到主机A的IP，再找硬件地址，这样就大大降低了网络的通信量，因此使用ARP来增加网络的通信量，也提供了方便。

4. ARP把保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间，超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。比如说主机A给主机B发数据，某一天，主机B的网络适配器坏了，B更换了一块，这时其硬件地址也被修改，这样的话高速缓存中存的还是原来的那个地址，这下你肯定找不到确定的硬件地址，有了生存时间后，你可以在限定的时间内找，如果找不到的话，就将原先的硬件地址删除，再重新广播发送ARP请求分组，重新找到B。继续上述的步骤，在高速缓存中写入正确的硬件地址即可。

5. ARP协议是解决局域网的情况，如果是不同的网络中的主机间的传送数据报呢？这里我们涉及到路由器的概念。主机A无法直接解析主机B的硬件地址，我们这时通过连接到主机A的路由器来进行转发，找到另一网络(通过将路由器A的IP转化为硬件地址，以便将IP数据报写入路由器A，A从转发表中找到下一跳路由B，同时解析出路由器B的硬件地址，于是再将数据报转发到路由B上)，再通过路由器广播的方式(解析目的主机的硬件地址)，找到正确的主机，传送数据报。

关于ARP，主要有四种典型情况：

1. 发送方是主机，把IP数据报发送到同一网络的另一个主机，此时主机A发送ARP请求分组，广播，找到目的主机的硬件地址

2. 发送方是主机，把IP数据报发送到不同网络的另一个主机，这时主机A发送ARP请求分组，找到主机A的路由器的硬件地址，剩下的工作由路由器完成。

3. 发送方是路由器，把IP数据报转发到同一网络的另一个主机，此时路由器发送ARP请求分组，广播，找到目的主机的硬件地址

4. 发送方是路由器，把IP数据报转发到不同网络的另一个主机，这时路由器R1发送ARP请求分组，找到下一跳路由器R2的硬件地址，剩下的工作由路由器R2完成。

下面我们来写个脚本来实现抓取主机MAC地址：

#!/bin/bash

net='192.168.127.' //是我自己的主机IP

i=1

count=0

while [ $i -le 254 ]

do

if [ $count -eq 20 ];then

count=0

sleep 1

fi

ping -c1 $net$i & //检查网络是否连通

let i++

let count++

done

wait

我们可以使用arp -a来查看缓存中的MAC地址。如下：

其中显示incomplete的就是没有存入缓存中的。我们可以过滤一下。

#!/bin/bash

net='192.168.127.'

i=1

count=0

while [ $i -le 254 ]

do

if [ $count -eq 20 ];then

count=0

sleep 1

fi

ping -c1 $net$i &

let i++

let count++

done

wait

arp -a | grep -v 'incomplete'

这次就会直接将没有连接的IP过滤掉，运行结果为：

这样我们就很好的抓取到了对应主机的MAC地址。