IP地址和MAC地址
在 TCP/IP 的架構下，所有想上網的電腦，不論是用何種方式連上網路，都必須要有一個唯一的 IP-address。事實上IP地址是主機硬件地址的一種抽象，簡單的說，MAC地址是物理地址，IP地址是邏輯地址。
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|---|---|
| MAC地址 | 物理地址 |
| IP地址 | 邏輯地址 |
什么是虛擬IP
虛擬IP地址(VIP) 是一個不與特定計算機或一個計算機中的網絡接口卡(NIC)相連的IP地址。數據包被發送到這個VIP地址，但是所有的數據還是經過真實的網絡接口。VIPs大部分用於連接冗余；一個VIP地址也可能在一台計算機或NIC發生故障時可用，交由另一個可選計算機或NIC響應連接。虛擬IP地址的例子如：一個Loopback(無電路IP地址)作為不與在主機或路由器中任何一個特定接口(或電路)相關的IP地址。
虛擬IP就是一個未分配給真實主機的IP，也就是說對外提供服務器的主機除了有一個真實IP外還有一個虛IP，使用這兩個IP中的任意一個都可以連接到這台主機。
- MAC地址 00:21:5A:DB:68:E8
- 真實IP 192.168.1.217
- 虛擬IP 192.168.1.219
虛擬IP可以用來做什么？可以解決什么問題？
一般可以用來做HA(High Availability)，比如數據庫服務器的URL可以使用一個虛擬IP，當主服務器發生故障無法對外提供服務時，動態將這個虛IP切換到備用服務器。即實現服務器熱備，故障自動切換。
1、客戶端訪問數據庫虛擬IP
2、通過ARP緩存，找到對應的MAC地址
3、訪問真實服務器
1、真實服務器A宕機
2、真實服務器B沒有收到真實服務器A的心跳包
3、真實服務器B將虛擬IP綁定到自己的MAC地址，並發送這個ARP包給路由器
4、路由器接收到后更新ARP緩存
5、接着有請求虛擬IP的請求過來，都會被轉發到真實服務器B
什么是ARP協議
地址解析協議（英語：Address Resolution Protocol，縮寫：ARP）是一個通過解析網絡層地址來找尋數據鏈路層地址的網絡傳輸協議，它在IPv4中極其重要。
在以太網協議中規定，同一局域網中的一台主機要和另一台主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址。而在TCP/IP協議中，網絡層和傳輸層只關心目標主機的IP地址。這就導致在以太網中使用IP協議時，數據鏈路層的以太網協議接到上層IP協議提供的數據中，只包含目的主機的IP地址。於是需要一種方法，根據目的主機的IP地址，獲得其MAC地址。這就是ARP協議要做的事情。所謂地址解析（address resolution）就是主機在發送幀前將目標IP地址轉換成目標MAC地址的過程。
另外，當發送主機和目的主機不在同一個局域網中時，即便知道對方的MAC地址，兩者也不能直接通信，必須經過路由轉發才可以。所以此時，發送主機通過ARP協議獲得的將不是目的主機的真實MAC地址，而是一台可以通往局域網外的路由器的MAC地址。於是此后發送主機發往目的主機的所有幀，都將發往該路由器，通過它向外發送。這種情況稱為委托ARP或ARP代理（ARP Proxy）。
在點對點鏈路中不使用ARP，實際上在點對點網絡中也不使用MAC地址，因為在此類網絡中分別已經獲取了對端的IP地址。
在每台安裝有TCP/IP協議的電腦或路由器里都有一個ARP緩存表，表里的IP地址與MAC地址是一對應的。
| 主機名稱 | IP地址 | MAC地址 |
|---|---|---|
| A | 192.168.38.10 | 00-AA-00-62-D2-02 |
| B | 192.168.38.11 | 00-BB-00-62-C2-02 |
| C | 192.168.38.12 | 00-CC-00-62-C2-02 |
| D | 192.168.38.13 | 00-DD-00-62-C2-02 |
| E | 192.168.38.14 | 00-EE-00-62-C2-02 |
| ... | ... | ... |
ARP協議工作原理
以主機A（192.168.38.10）向主機B（192.168.38.11）發送數據為例。
1.當發送數據時，主機A會在自己的ARP緩存表中尋找是否有目標IP地址。如果找到就知道目標MAC地址為（00-BB-00-62-C2-02），直接把目標MAC地址寫入幀里面發送就可。
2.如果在ARP緩存表中沒有找到相對應的IP地址，主機A就會在網絡上發送一個廣播（ARP request），目標MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，這表示向同一網段內的所有主機發出這樣的詢問：“192.168.38.11的MAC地址是什么？”
3.網絡上其他主機並不響應ARP詢問，只有主機B接收到這個幀時，才向主機A做出這樣的回應（ARP response）：“192.168.38.11的MAC地址是00-BB-00-62-C2-02”，此回應以單播方式。這樣，主機A就知道主機B的MAC地址，它就可以向主機B發送信息。同時它還更新自己的ARP高速緩存（ARP cache），下次再向主機B發送信息時，直接從ARP緩存表里查找就可。
ARP緩存表采用老化機制，在一段時間內如果表中的某一行沒有使用，就會被刪除，這樣可減少緩存表的長度，加快查詢速度。
虛擬IP原理
虛擬IP的實現主要是靠 TCP/IP 的 ARP 協議。
因為IP地址只是一個邏輯地址，在以太網中 MAC 地址才是真正用來進行數據傳輸的物理地址。
以太網中的主機發送數據時會先從本地ARP緩存中查詢目標 IP 對應的 MAC 地址，會向這個 MAC 地址發送數據。
操作系統或路由器會自動維護這個緩存。
在Linux下可以使用arp命令操作ARP高速緩存。
比如下面這個 ARP 緩存示例：
(192.168.1.219) at 00:21:5A:DB:68:E8 [ether] on bond0
(192.168.1.217) at 00:21:5A:DB:68:E8 [ether] on bond0
(192.168.1.218) at 00:21:5A:DB:7F:C2 [ether] on bond0
其中，192.168.1.217、192.168.1.218 是兩台真實的電腦，192.168.1.217 為對外提供數據庫服務的主機，192.168.1.218 為熱備的機器，192.168.1.219 為虛IP，注意219、217的 MAC 地址是相同的。
當主服務器217一段時間沒有發送HeartBeat數據包給備份服務器218，備份服務器218規定時間內沒有收到217的HeartBeat數據包。（啰嗦一下）
這時備份服務器218 認為217 宕機。備份服務器218后會向網絡發送一個 ARP 數據包，讓路由器修改路由表，告訴所有主機 192.168.1.219 這個IP對應的MAC地址是 00:21:5A:DB:7F:C2，這樣所有發送到 219 的數據包都會發送到 MAC 地址為 00:21:5A:DB:7F:C2 的機器，也就是 218 的機器。
配置和刪除虛擬IP
假如主機有一個網卡 eth1，其對應一個IP為 192.168.1.217，現對其設置一個虛擬IP 192.168.1.219：
ifconfig eth1:1 192.168.1.219 netmask 255.255.255.0
刪除該虛擬IP：
ip addr del 192.168.1.219 dev eth1
不過在網絡運維中，更常見的是使用 keepalived 配置虛擬ip（vip）實現雙機熱備以及自動切換主備
如何查看本地操作系統上的ARP緩存
MacOS
arp -nla
Linux
arp -nv
Windows
arp -a
總結
虛擬IP是未分配給真實主機的IP，是IP的一種。
結合ARP協議、心跳檢測機制、廣播ARP數據包，修改ARP緩存中IP和MAC地址的對應關系，實現IP漂移，服務器自動切換