概述
網絡層以上的協議用IP地址來標識網絡接口，但以太數據幀傳輸時，以物理地址來標識網絡接口。因此我們需要進行IP地址與物理地址之間的轉化。
對於IPv4來說，我們使用ARP地址解析協議來完成IP地址與物理地址的轉化（IPv6使用鄰居發現協議進行IP地址與物理地址的轉化，它包含在ICMPv6中）。
ARP協議提供了網絡層地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之間的動態映射。ARP協議 是地址解析的通用協議
請求的例子：
MAC 地址 與 IP地址
Mac地址由設備制造商定義/分配，每一個硬件設備都有一個鏈路層主地址（MAC地址），保存在設備的永久內存中。設備的mac地址不會改變（現在可以進行mac地址偽裝）
IP地址由用戶配置給網絡接口， 網絡接口的IP地址是可以發生變化的（通過DHCP獲取IP，變化速度比較快）
獲取目的端的MAC地址(在一個以太網中)步驟如下:
1.發送ARP請求的以太網數據幀給以太網上的每個主機，即廣播(以太網源地址填全1)。ARP請求幀中包含了目的主機的IP地址。
2.目的主機收到了該ARP請求之后，會發送一個ARP應答，里面包含了目的主機的MAC地址。
ARP協議工作原理
- 每個主機都會在自己的 ARP 緩沖區中建立一個 ARP 列表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之間的對應關系。
- 主機（網絡接口）新加入網絡時（也可能只是mac地址發生變化，接口重啟等）， 會發送免費ARP報文把自己IP地址與Mac地址的映射關系廣播給其他主機。
- 網絡上的主機接收到免費ARP報文時，會更新自己的ARP緩沖區。將新的映射關系更新到自己的ARP表中。
- 某個主機需要發送報文時，首先檢查 ARP 列表中是否有對應 IP 地址的目的主機的 MAC 地址，如果有，則直接發送數據，如果沒有，就向本網段的所有主機發送 ARP 數據包，該數據包包括的內容有：源主機 IP 地址，源主機 MAC 地址，目的主機的 IP 地址等。
- 當本網絡的所有主機收到該 ARP 數據包時：
（A）首先檢查數據包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址，如果不是，則忽略該數據包。
（B）如果是，則首先從數據包中取出源主機的 IP 和 MAC 地址寫入到 ARP 列表中，如果已經存在，則覆蓋。
（C） 然后將自己的 MAC 地址寫入 ARP 響應包中，告訴源主機自己是它想要找的 MAC 地址。
6.源主機收到 ARP 響應包后。將目的主機的 IP 和 MAC 地址寫入 ARP 列表，並利用此信息發送數據。如果源主機一直沒有收到 ARP 響應數據包，表示 ARP 查詢失敗。
ARP工作實例
下面我們就來談一談ARP地址解析協議是如何把目的地址的IP地址轉化成MAC地址的。
1. 首先，主機A想要向主機B發送消息，但它不知道主機B的MAC地址，只知道主機B的IP地址。這時，主機A會在當前局域網下以廣播的形式發送ARP請求數據報,表示主機A想知道主機B的MAC地址（注：廣播時，以太網首部的目的地址為全f）。 
2. 由於是廣播，所以在本局域網上的所有主機都會受到主機A發送的ARP數據報，然后所有主機會把以太網首部這個報頭給去掉，向上面的網絡層發送ARP數據報。在這里我們便可以回答上面的問題了，以太網首部和ARP數據報內的MAC地址都不能少，一個是在數據鏈路層使用的，一個是在網絡層使用的，因為兩個層都不能看到互相的數據。
3. 網絡層首先會檢查op字段，發現這時個ARP請求數據報，然后又會檢查目的IP地址字段，檢查完畢后，這時除了主機B外，在這個局域網內的其他主機都會把數據報丟棄，因為只有主機B的IP地址和目的IP地址是相同的。 
ARP緩存
ARP高速緩存（即ARP表）是 ARP地址解析協議能夠高效運行的關鍵， (如果有多次ARP響應時，以最后一次響應為准)
ARP給IP地址和MAC地址中間做了動態映射，也就是說緩存了一個ARP表，將得到的IP地址和MAC地址對應起來，如果在表中沒有查到IP地址對應的MAC地址，就會發廣播去找。隨着用戶的使用，ARP表如果不做任何措施，就會變得越來越臃腫緩慢，就降低了網絡傳輸數據的效率，所以ARP緩存中每一項被設置了生存時間，一般是20分鍾，從被創建時開始計算，到時則清除，如果在計時期間又被使用了，計時會重置。
我們可以通過arp命令查看arp表：
ARP表中記錄了一些IP地址與物理地址的映射，在arp表中，我們可以看到一個Flags字段，該字段有C、M、P三種取值：
C： 表明arp條目為通過ARP請求動態獲取，（一般存活時間為20min）
M：表明arp條目為手動設置。
P： 表示Publish，表示該ARP條目可以用於恢復其他主機的ARP請求。（用於ARP proxy）
報文格式(ARP 幀)
ARP幀以以太幀的形式存在，即ARP消息包含在以太幀中 ，因此包含以太幀的首部和尾部。（這里不考慮802.1p/q等特殊以太幀）。
* 幀類型*：用來向收到數據報的主機表示該數據報的類型，常見類型如下：
0800:IP數據報；
0806:ARP請求/應答數據報；
8035:RAPP請求/應答；
ARP Request or Reply Message 是ARP幀的核心部分。
前14字節是以太網首部幀格式 ,然后后面四個字段描述了本ARP幀涉及的硬件類型和協議類型。
Hard Type：該字段占2個字節，指定硬件地址類型， 如值為1表示為以太網地址。
Prot Type ：該字段占2個字節，指定協議地址類型，如0x0800 表示協議地址類型為IPv4地址。該值與以太幀首部的類型字段相同。
Hard Size： 表示硬件地址的大小（單位：字節），如以太網地址為6。
Prot Size ： 表示協議地址的大小（單位：字節）， 如IPv4地址大小為4。（硬件地址長度和協議地址長度，分別占1個字節，指出硬件地址和協議地址的長度，以字節為單位。）
OP ： 表示ARP的消息類型。
1：ARP Request；
2：ARP Reply
3：RARP Request
4：RARP Reply
后面四個字段寫入的是一些物理地址和協議地址。不一定全部有值。
對於ARP Request 而言，我們不知道目的MAC地址是什么，因此 Target’s Hardware Address 全部填充為0.
ARP幀的交互
當主機接收到一個針對其協議地址的ARP Request時，它會回應ARP Reply. 該Reply消息內容為：對調sender 和 Target 地址字段，然后將Sender’s Hardware Address（即原來的Target’s Hardware Address ）修改為本機的Hardware Address。另外OP字段有1變為2.
局域網中一台主機獲取已知一台IP地址的主機的硬件地址過程：
免費ARP 和 地址沖突檢測
* 免費ARP* 指的是 主機發送一個ARP請求，求尋找自己的IP地址 。常用在系統引導時，對網絡接口進行配置的時候。
免費ARP有兩個重要作用
1. 檢測網絡上是否有其他主機的IP地址與本機相同，即地址沖突檢測。
2. 當主機向網絡廣播免費ARP時，其實她也將自己的IP地址與物理地址的映射關系廣播給其他主機了。因此，如果本機的硬件地址發生了變化，其他主機也應該做出相應的更新。
ARP請求發送到了目的端之后，目的端填上了自己的硬件地址，然后把兩個目的端地址和兩個發送端地址交換，把op的值置為2，再把該ARP數據報發回去。
前面提到的獲取目的端的MAC地址的步驟是在一個特殊的條件下完成了，即發送端和目的端都在同一個以太網中，那么當發送端和目的端不在同一個網絡中呢。
這種情況下有一個術語叫ARP代理。連接發送端和目的端網絡的路由器就充當這樣一個代理。舉個簡單的例子，當主機A發送ARP請求給主機B時，它們處於不同的網絡，但是由路由器C相連，當C識別出主機B的IP地址屬於它連接的一個主機，這時C就會欺騙主機A，讓A誤認C就是目的主機，然后C就將ARP數據報發給B，最后B再將ARP應答發回來。
還有最后一個ARP特性：免費ARP
它是指主機發送ARP查找自己的IP地址。
作用有兩個：
1.主機可以通過它來確定另一個主機有沒有設置同樣的IP地址。
2.如果發送免費ARP的主機改變了硬件地址（換了網卡），那么這個分組就會更新其它主機高速緩存表中舊的硬件地址。
ARP報頭定義如下：
- #!/bin/bash
- net='192.168.199.'
- 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
- echo '############################################'
- arp -a | grep -v 'incomplete'
- echo '############################################'
