以太网基础：为什么需要ARP？

开垦者

开发以太网的小伙伴，对ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）已经见怪不怪。在控制器刚启动阶段，总线上会看到一些ARP报文。那么，问题来了，为什么在控制器启动阶段，会有ARP报文呢？ARP报文到底扮演着什么样的角色呢？本文，聊一聊ARP。1、以太网通信基础

我们知道，以太网是点对点（Point-to-Point）的通信方式。如果两个以太网节点建立通信，发送节点首先需要知道和谁通信。发送节点如何知道和谁通信呢？答：MAC地址（Media Access Control Address）。MAC地址也称为网卡，每一个网卡分配唯一MAC地址（长度为6 Bytes）。所以，知道目标节点MAC地址，才能知道信息要发给谁。而在整车的网络拓扑中，节点之间的数据交互由交换机（Switch）进行二层转发，示意如下：



（一）ARP帧格式

不管何种总线，为了确保信息有效交互，会根据软、硬件层级，设计不同的通信协议。本文关注链路层的以太网帧和网络层的ARP协议，ARP报文封装在以太网帧的数据段传输，如下所示：

硬件类型（2 Byte）：表示硬件地址类型，eg：以太网为1

协议类型（2 Byte）：表示上层协议类型，eg：IPv4为0x0800

硬件地址长度（1 Byte）：表示硬件地址长度，eg：以太网为6

协议地址长度（1 Byte）：表示协议地址长度，eg：IPv4为4

操作码（Option，2 Byte）：表示ARP请求或响应的操作类型，eg：请求（Request）为1，响应（Replay）为2

源MAC地址（6 Byte）：发送ARP请求的主机的MAC地址

源IP地址（4 Byte）：发送ARP请求的主机的IP地址

目标MAC地址（6 Byte）：目标主机的MAC地址（在ARP请求中通常为空，即：全0x00）

目标IP地址（4 Byte）：目标主机的IP地址

通过ARP报文格式可以看出，ARP记录着IP与MAC的对应关系，即：通过IP关联的MAC地址，最终找到通信的目标节点。而在TCP/IP的分层结构中，ARP属于网络层，因此，网络层的源节点实体、目标节点实体之间通过IP地址识别彼此。但是，ARP报文封装在以太网帧中，依赖以太网链路层传输，而以太网链路层的寻址方式为MAC地址，因此，需要把IP地址转换成MAC地址才能将上层待发送的信息发送给目标节点，所以，这就是ARP出现的意义。

首先，同一局域网内的每个以太网节点，网络层会分配一个或者多个IP，数据链路层固化一个唯一MAC地址，由<MAC，IP>标识发送节点，如下所示：



其次，通过ARP报文获取目标节点的MAC，形成目标节点的<MAC，IP>对，进而，每个以太网节点形成一个ARP Table。有了ARP Table以后，发送方在发送数据之前，就可以通过目标节点的IP地址，查找目标节点的MAC地址，进而发送数据。每个节点的ARP Table示意如下：



（二）交换机如何转发

ARP Table形成以后，解决了发送节点知道发送给谁的问题，但是，还有一个问题需要解决：交换机（Switch）如何知道信息转发给谁呢？答：路由表（Route Table），示意如下：



当交换机某个端口（Port #n）收到以太网帧以后，会通过目标节点的MAC地址查找Route Table，如果找到目标节点端口号，则将信息转发出去，实现路由的目的。同时，也会检查发送节点的MAC地址是否已经缓存，如果Route Table中没有缓存发送节点的MAC，则将发送节点的MAC地址和入口Port缓存到Route Table。

2、ARP通信原理

1、控制器初始启动阶段，ARP缓存表为空，即：ARP Table没有目标节点的<MAC，IP>信息。此时，发送节点发送ARP报文，请求目标节点的MAC地址。注意：目标节点的IP地址已知。请求示意如下：



发送节点（MCU2）发送的ARP报文信息如下所示：



解析：

发送节点发送ARP报文时，会包含发送节点的IP（192.168.0.2）、发送节点MAC（02:00:00:00:00:02）、目标节点的IP（192.168.0.1）；

由于不知道目标节点的MAC，所以，在ARP报文中，目标节点的MAC地址（上图中的Target Protocol Address）用全0x00表示；

由于发送节点不知道目标节点在哪个位置，所以，发送节点发送ARP请求时，使用广播的方式发送，即：Destination为全0xFF。

2、当交换机收到MCU2的ARP请求报文以后，发现：路由表中找不到目标节点的Port（初始阶段为空），于是，交换机向所有端口广播ARP报文（不包含接收端口），同时，缓存MCU2的MAC2和Port2，如下所示：



3、当目标节点（MCU1）收到ARP请求报文以后，发现MAC地址与自身匹配，则接收该ARP报文，同时将发送节点的MAC2缓存下来。MCU1之后给出ARP响应，由于知道了发送节点的MAC地址，所以，MCU1响应ARP报文时，单播发送ARP报文。当交换机收到MCU1的ARP响应以后，发现目标节点是MCU2，而且MCU2的MAC2已经关联Port2，则直接将ARP报文发送给MCU2，同时，交换机缓存<MAC1,Port1>。当MCU1接收到MCU2的ARP响应以后，也会缓存<MAC1,IP1>。之后，MCU1和MCU2即可正常通信，示意如下：



提示：非目标节点收到ARP报文以后，直接丢弃。

响应节点（MCU1）发送的ARP报文信息如下所示：



解析：

ARP响应报文属于单播。