一、代理ARP概述
我：當電腦要訪問互聯網上的服務器，目標MAC是什么？
很多小伙伴在剛學習網絡協議的時候，經常這樣直接回應：不就是服務器的MAC嘛!
這時我會反問：那電腦怎么拿到這個服務器的MAC地址呢？
小伙伴一般都自信的拋出下面兩個點：
①根據網絡通信中數據封裝的原則，通信雙方需要封裝源目IP和MAC地址；
②如果要拿到目標MAC地址，就需要通過ARP協議進行交互。
我：好，確實沒毛病，你是指的下面這個意思吧 ==>
小伙伴：對對對，是這個意思的。
我：好，你再看看下面這個圖，再確認下。
小伙伴：好像不太對唉，剛才沒注意看...... 互聯網這么多路由器，根據之前學過的：
①路由器隔離廣播域，每個接口/網段都是獨立的廣播域；
②ARP請求是二層廣播包，廣播包沒法過路由器，
這樣的話，ARP請求廣播包根本沒法穿越互聯網到達目標服務器。
我：那我們平常上微博逛知乎去京東剁手基本都依據上面這張圖，通過DNS協議將域名解析為IP地址，通過ARP協議將IP解析為MAC地址。現在ARP請求無法穿越過去，電腦便無法獲取目標服務器的MAC地址，怎么跟它通信呢？
小伙伴：。。。。。。
上面這個疑惑，我相信每個學習網絡協議的初學者經常會問到，更普遍的情況是，很多工作多年的工程師，也未必能夠將下面這幾個問題完全搞清楚：
①電腦訪問互聯網服務器的時候，ARP詢問的內容，真的是問服務器的嗎？
②什么是代理ARP？跟ARP有什么區別？什么場景下會用到代理ARP？
③代理ARP跟網關（默認路由）設置有什么關系？
所以，這一篇文章雖然是講代理ARP，但其實核心內容是圍繞代理ARP，解讀跨網段通信過程中，ARP/代理ARP/網關（默認路由）/數據封裝等相關問題。
二、代理ARP原理
當ARP請求目標跨網段時，網關設備收到此ARP請求，會用自己的MAC地址返回給請求者，這便是代理ARP（Proxy ARP）。
上面這張圖中，電腦發送ARP請求服務器8.8.8.8的MAC地址，路由器（網關）收到這個請求時會進行判斷，由於目標8.8.8.8不屬於本網段（即跨網段），此時便返回自己的接口MAC地址給PC，后續電腦訪問服務器時，目標MAC直接封裝為MAC254。
代理ARP本質是一個"善意的欺騙"，是一個"錯位"的映射。從圖中我們看到服務器地址的正常映射是<8.8.8.8-MAC2>，而路由器返回給電腦的，卻是 <8.8.8.8-MAC254>。不管是不是"欺騙"，至少最終電腦可以與外網的服務器實現通信，以PC Ping Server為例=>
實際網絡中，代理ARP由網絡中的網關設備來執行，包括路由器、多層交換機、無線路由器、防火牆等設備。並且，網關即便有代理ARP功能，也未必一定執行，還必須滿足兩個條件：①網關已經開啟代理ARP功能；②網關有目標的路由信息。我們來看下面這張圖=>
上面這張圖中，我們假設路由器已具備全網的路由，但連接電腦的接口沒有開啟（或不支持）代理ARP功能，此時便造成一個尷尬的情況：電腦反復詢問到8.8.8.8的MAC地址，路由器收到之后，處理流程跟正常ARP是一致的，"問自己的回復，不是問自己的丟棄"。因此，當網絡通信采用代理ARP時，可能會"受制於沿途網關設備"，造成網絡通信故障。
進一步思考：既然代理ARP不是一種特別流暢的實現，會"受限於別人"，那我們沒必要一定要使用它。甚至，這里我們需要搞清一個事實：實際網絡中，無論是同網段還是跨網段通信（例如訪問互聯網），絕大情況下都是使用正常的ARP，而不是代理ARP。生活中的上網的經驗也已經告訴我們，好像從來沒有遇到或聽到過"XXX設備不支持代理ARP功能，導致通信故障"這樣的問題。
很多小伙伴看到這里，會有大大的疑惑：
① "什么! 我們才剛學習了代理ARP的實現原理，現在居然告訴說它沒怎么用？"
② 那為什么要創造代理ARP，它的真正使用場景在哪里？？
③ 上述圖解中，電腦跨網段通信時ARP到底是如何工作的？？？
接下來給大家划重點：
第一，代理ARP僅僅是正常ARP的一個拓展使用，是可選項而不是必要項；
第二：代理ARP有特定的應用場景，與網關/路由的設置有直接關系：當電腦沒有網關/路由功能時，並且需要跨網站通信時，則會觸發代理ARP。換句話說，如果有網關/路由功能，則不需要代理ARP；
第三：正常環境下，當用戶接入網絡時，都會通過DHCP協議或手工配置的方式得到IP和網關信息（所以不需要代理ARP）。
三、ARP與代理ARP：不是互斥而是互補
在大家理解了代理ARP的工作原理和應用場景之后，接下來我們終於可以更加全面的分析開篇的這個經典問題：當用戶訪問互聯網的時候，到底用ARP還是代理ARP？跟網關/路由設置有什么關系？數據封裝又有什么區別？
我們通過下面兩張圖做個對比=>
當電腦沒有網關時，PC Ping 8.8.8.8，采用代理ARP =>
當電腦有網關時，PC Ping 8.8.8.8，采用正常ARP =>
通過上面的對比，我們得到以下信息：
①電腦沒有網關時，ARP直接詢問目標IP對應的MAC地址（跨網段），采用代理ARP；
②電腦有網關時，ARP只需詢問網關IP對應的MAC地址（同網段），采用正常ARP；
③無論是正常ARP還是代理ARP，電腦最終都拿到同一個目標MAC地址：網關MAC。
為了讓上面這個總結更加的通用性，我們將原有的網絡拓撲稍微復雜化 =>
當電腦沒有網關時（采用代理ARP ），PC 依次Ping 8.8.8.8、8.8.4.4、114.114.114.114=>
當電腦有網關時（采用正常ARP ），PC 依次Ping 8.8.8.8、8.8.4.4、114.114.114.114=>
通過上面的拓撲，我們可以得到更加通用性的總結，歸納如下：
①當電腦沒有網關（采用代理ARP）時："跨網段訪問誰，就問誰的MAC"
②當電腦有網關（采用正常ARP）時："跨網段訪問誰，都問網關的MAC"
③無論哪種ARP，跨網段通信時，發送方請求得到的目標MAC地址都是網關MAC。
注明：網關（Gateway）、下一跳（Next-hop）、路由器（Router）都指的是離發送方最近的三層（或多層）設備，具備三層和路由轉發功能。舉例：我們通過WiFi上網時，網關就是無線路由器，它幫忙將電腦和手機的數據轉發到互聯網；所以，我們訪問互聯網時（無論訪問誰），電腦和手機采用的目的MAC，都是無線路由器的MAC。有興趣的小伙伴都可以跟着我驗證下（請見下面章節）。
四、ARP與代理ARP實戰指南
為了讓大家更直觀理解，真正"親眼所見"上面學到的技術原理，這里我帶大家在真實網絡和虛擬環境分別驗證。第一個實驗，主要是針對沒任何命令基礎的小伙伴，大家可以在家就可以實驗；第二個實驗，主要針對有一定網絡和安全基礎的小伙伴，通過構造網絡虛擬實驗環境來驗證。
（一）真實網絡下ARP與代理ARP實驗
這個網絡中，我的電腦地址是192.168.199.177，連接到極路由（無線路由器），通過極路由器訪問互聯網。這個WiFi網絡的主機列表情況如下，這里的PC就是我的Macbook。
接下來再看看極路由MAC地址=>
查看我的電腦(Macox系統）IP地址和網關信息，通過命令"ifconfig"查看ip地址=>（Windows系統則通過"ipconfig /all"查看IP地址和網關信息）
通過命令"netstat -rn"查看我的電腦網關設置=>
接下來，我的電腦連續PING 8.8.8.8和114.114.114.114或其他外網地址=>
重點來了，在我的電腦連續訪問這么多外網地址之后，我們來看看ARP表項是怎樣的，是否有8.8.8.8、114.114.114.114、www.pinginglab.net（120.24.59.68）對應的MAC呢？
通過命令"arp -a"查看電腦的ARP緩存信息=>
從最終的ARP內容來看，我的電腦只記錄着本機和網關的MAC地址，MAC地址"d4:ee-07:54:c1:9e"就是上面給大家截圖的極路由MAC。
通過這個真實網絡的實驗，我們可以驗證了以下內容：
①真實網絡中一般都是正常ARP，而不是代理ARP；
②當電腦有網關（采用正常ARP）時，無論跨網段訪問誰，都直接問網關的MAC；
③當第一次獲取網關MAC之后，后續的通信都不再需要重新進行ARP請求。（這個是比較容易忽略的，而代理ARP每次訪問新的外網地址，都需要再次請求）
（二）虛擬環境下ARP與代理ARP實驗
網絡拓撲采用GNS3搭建，采用C3640操作系統鏡像=>
① 首先為各個設備打開接口並配置IP地址：
PC(config)#int f0/0
PC(config-if)#no shutdown
PC(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
Router(config)#int f0/0
Router(config-if)#no shutdown
Router(config-if)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0
Router(config-if)#int f1/0
Router(config-if)#no shutdown
Router(config-if)#ip address 8.8.8.1 255.255.255.0
Server(config)#int f0/0
Server(config-if)#no shutdown
Server(config-if)#ip address 8.8.8.8 255.255.255.0
②為各個設備設置路由信息：
a.關閉PC上路由功能，模擬主機並查看路由表（此時的電腦沒有設置網關）
PC(config)#no ip routing
PC#show ip route
Default gateway is not set
Host Gateway Last Use Total Uses Interface
b.設置並查看Router和Server路由表，保證聯通，模擬互聯網（這里Router已有全網的直連路由，Server需要設置返回內網的路由；實際環境應該通過NAT返回，這里不再深入）
Router#show ip route
Codes: C - connected, S - static, R - RIP, M - mobile, B - BGP
D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2
i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
o - ODR, P - periodic downloaded static route
Gateway of last resort is not set
8.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnets
C 8.8.8.0 is directly connected, FastEthernet1/0
C 192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
Server(config)#ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 8.8.8.1
Server#show ip route
Codes: C - connected, S - static, R - RIP, M - mobile, B - BGP
D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2
i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
o - ODR, P - periodic downloaded static route
Gateway of last resort is not set
8.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnets
C 8.8.8.0 is directly connected, FastEthernet0/0
S 192.168.1.0/24 [1/0] via 8.8.8.1
③查看PC/Router/Server的接口MAC地址：
PC#show int f0/0
FastEthernet0/0 is up, line protocol is up
Hardware is AmdFE, address is cc05.1f56.0000 (bia cc05.1f56.0000)
Internet address is 192.168.1.1/24
Router#show int f0/0
FastEthernet0/0 is up, line protocol is up
Hardware is AmdFE, address is cc07.1f56.0000 (bia cc07.1f56.0000)
Internet address is 192.168.1.254/24
Router#show int f1/0
FastEthernet1/0 is up, line protocol is up
Hardware is AmdFE, address is cc07.1f56.0010 (bia cc07.1f56.0010)
Internet address is 8.8.8.1/24
Server#show int f0/0
FastEthernet0/0 is up, line protocol is up
Hardware is AmdFE, address is cc06.1f56.0000 (bia cc06.1f56.0000)
Internet address is 8.8.8.8/24
④通過Wireshark抓取PC和Router鏈路的數據包，並讓PC ping Server（8.8.8.8），查看ARP問答信息：
PC#ping 8.8.8.8
Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 8.8.8.8, timeout is 2 seconds:
.!!!! （一個ping來回為一個 ! 標識，而第一個點 . 代表此時正在arp）
Success rate is 80 percent (4/5), round-trip min/avg/max = 44/47/48 ms
從數據包可以看到，由於PC沒有設置默認網關，所以直接采用代理ARP方式詢問：即直接詢問跨網段目的8.8.8.8的IP地址。而由於路由器Router默認開啟了代理ARP功能，所以直接用自己的MAC地址回應了。這里的cc:07:1f:56:00:00即路由器的MAC地址。這里順便查看下PC的arp表：
PC#show arp
Protocol Address Age (min) Hardware Addr Type Interface
Internet 8.8.8.8 9 cc07.1f56.0000 ARPA FastEthernet0/0
Internet 192.168.1.1 - cc05.1f56.0000 ARPA FastEthernet0/0
因此，這里便驗證了：當電腦沒有設置網關信息，則采用代理ARP。
我們接着驗證另外一個點：當采用代理ARP時，會"受限於沿途網關設備"，例如網關設備（路由器）可能不支持代理ARP或關閉代理ARP功能，此時電腦就無法與外網IP實現通信。
怎么驗證呢？這里我們需要關閉路由器接口的代理ARP功能，並且清空電腦PC的arp表=>
Router(config)#int f0/0
Router(config-if)#no ip proxy-arp
PC#clear arp
PC#ping 8.8.8.8
Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 8.8.8.8, timeout is 2 seconds:
.....
Success rate is 0 percent (0/5)
查看底層數據包交互過程=>
當路由器關閉代理ARP時，此時電腦"苦苦哀求"外網8.8.8.8的MAC地址，而路由器直接丟棄不再返回，由於電腦沒有目標IP對應的MAC信息，所以通信失敗，即 ...... 我們來看下此時PC的arp表是怎樣的=>
PC#show arp
Protocol Address Age (min) Hardware Addr Type Interface
Internet 8.8.8.8 0 Incomplete ARPA
Internet 192.168.1.1 - cc05.1f56.0000 ARPA FastEthernet0/0
⑤為PC設置默認網關，重新ping 8.8.8.8，看看能不能通=>
PC(config)#ip default-gateway 192.168.1.254
PC#ping 8.8.8.8
Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 8.8.8.8, timeout is 2 seconds:
!!!!!
Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 44/244/1040 ms
可以看到，當電腦具備網關信息之后，此時直接采用ARP詢問網關的MAC，即去往8.8.8.8的時候直接詢問192.168.1.254的MAC，這個時候不管Router有沒有開啟代理ARP，也會正常回應PC的ARP詢問，我們來看看底層數據包截圖=>
四、代理ARP總結
① 本章節我們深入學習了代理ARP的原理和實踐，在文章的開頭，我們通過一個引子，幫大家矯正一個誤區：跨網段通信時，就一定要用到代理ARP；
②代理ARP是一個"善意的欺騙"，當電腦要跨網段訪問外網設備時，網關設備用自己的MAC返回；
③代理ARP和ARP的具體實現，跟電腦是否有設置網關有直接的關系；有網關通過ARP，沒網關通過代理ARP；代理ARP可以看成是ARP的補充；
④代理ARP會"受限於沿途網絡設備"，真實網絡里面一般都直接用ARP獲取MAC地址。
預告：
什么是免費/無故ARP？
免費ARP的功能是什么？在什么時候出現？
免費ARP的數據包結構是如何的？