前置知識:MAC地址
在說到ARP協議之前,需要了解MAC地址,在OSI七層模型中,第三層是網絡層,要解決的是下一跳機制確定的設備位置,具體來說就是網卡地址,MAC地址用於在網絡中唯一標示一個網卡，一台設備若有一或多個網卡，則每個網卡都需要並有一個唯一的MAC地址。
MAC地址格式
MAC地址共48位（6個字節），以十六進制表示。第1Bit為廣播地址(0)/群播地址(1)，第2Bit為廣域地址(0)/區域地址(1)。前3~24位由IEEE決定如何分配給每一家制造商，且不重復，后24位由實際生產該網絡設備的廠商自行指定且不重復。
ff:ff:ff:ff:ff:ff則作為廣播地址。
01:xx:xx:xx:xx:xx是多播地址，01:00:5e:xx:xx:xx是IPv4多播地址。
ARP協議簡介
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。
ARP是通過網絡地址來定位MAC地址。 ARP已經在很多網路層和數據鏈接層之間得以實現，包括IPv4，Chaosnet, DECnet和Xerox PARC Universal Packet（PUP）使用IEEE 802標准, 光纖分布式數據接口, X.25, 幀中繼和異步傳輸模式（ATM），IEEE 802.3和IEEE 802.11標准上IPv4占了多數流量。
在IPv6中,鄰居發現協議（NDP）用於代替地址解析協議（ARP）。
ARP功能
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。
圖解ARP協議
根據OSI數據封裝順序，發送方會自頂向下（從應用層到物理層）封裝數據，然后發送出去,如果P1 ping P2,那么發生下圖所示過程:
由於MAC是確定物理設備(網卡)唯一標識,那么這個包在數據鏈路層就會失敗,因為沒法找到對應的主機,於是有了ARP協議,說得簡單點就是根據在發送數據之前,通過IP2獲取MAC2的過程:
這時候,有了[IP1=>IP2, MAC1=>MAC2],這兩個信息就可以確定主機,並且建立通訊,這時候有個問題,我們圖上是一對一的,如果這兩個主機不在一個局域網呢?離得很遠很遠,那怎么辦?
解決辦法是廣播:
當arp協議數據包進行廣播時,非目的主機接受到這個包會直接丟棄,接收到這個包的目的主機PC2會直接將信息發送給PC1,注意,由於這時候PC2接收到的包中已經有了PC1的IP地址以及MAC地址,所以不需要廣播,直接進行發送進行了。
經過上面的處理，PC1獲取了PC2的MAC2地址,就可以把數據包發送出去，之后便可以進行正常的通信。ARP的功能和實現過程是如此的簡單：它在發送方需要目標MAC地址的時及時出手，通過"一問一答"的方式獲取到特定IP對應的MAC地址，然后存儲到本地【ARP緩存表】，后續需要的話，就到這里查找。
ARP緩存表
如果我想向局域網中的某個電腦再發送一個數據，那么我的電腦就會從已有的ARP緩存表中尋找這個IP地址對應的物理地址的ARP表項，然后直接將數據寫入以太網數據幀中讓網卡進行發送即可，而如果沒有找到這個IP地址，那么這個數據就沒法立即發送，電腦會先在局域網上廣播一個ARP請求（目標MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF），廣播的ARP請求發出后，處於同一局域網內的所有主機都會接收到這個請求，如果目標IP地址與接收到ARP請求的主機自身IP地址吻合就會返回一個ARP應答，告訴請求者（即我的電腦）自身的MAC地址，當我的電腦收到這個ARP應答后，就去建立一個ARP表項，並且重新將數據發送出去。
ARP協議的核心就是對緩存表的操作，發送數據包的時候，查找ARP緩存表以得到對應的MAC地址，在ARP緩存表中的TTL即將過期的時候更新緩存表以保證ARP表項有效，此外ARP協議還需要不斷處理來自局域網中其他主機的ARP請求。
如果兩台電腦不在一個網段，電腦查詢自己的路由表，知道如果想和博客主機通信則必須通過網關（gateway）來中轉，所以會在與網關直連的網卡上請求網關的MAC地址，因為電腦要把發給PC2主機的數據先發給網關，當合法以太幀到達網關並且順利接收，網關會將數據遞交給IP層，IP層查詢路由表，找到與博客主機直連的接口（假設是直連的，實際上肯定不是直連的），網關會發一個ARP請求到博客主機上，請求它的MAC地址，網關收到應答后將建立新的ARP表項並將開始維護ARP緩存表，然后完成最終的通信。
APR緩存表有一定的時限性,因為ARP是動態處理的，ARP表項的生存時間是一般為5-10分鍾（LwIP中默認是5分鍾），而ARP請求的等待時間是5秒鍾，當這些時間到達后，就會更新ARP表項，如果在物理鏈路層無法連通則會刪除表項,另外電腦重啟的話ARP緩存表會被清空。因此每個協議棧的實現都必須維護着一個定時器（超時機制）來管理ARP緩存表，在必要的時候更新及刪除ARP表項，關於怎么處理的就不多追究，有興趣的可以看LwIP的etharp_tmr()源碼。
ARP報文
ARP報文格式如下:
當ARP報文封裝在以太網幀中,格式：
在ARP首部一開始的2個字節存儲的是硬件類型，表示要知道目標網卡的硬件類型，其中，值為1表示以太網地址；接下來還有2字節的協議類型，其中，0x0800表示IP協議，其他還可能是ICMP/IGMP協議等；接下來有1個字節表示硬件地址長度，指出該報文中硬件地址的長度，對於以太網硬件類型，它的值為6；還有1字節的協議地址長度，如果是ARP協議、IP協議等，該值為4；ARP首部最后的op字段用於記錄ARP操作的類型，分別是：
- ARP請求，其值為1。
- ARP應答，其值為2。
- RARP請求，其值為3。
- RARP應答，其值為4。
ARP協議總結
- ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析協議， 用於實現從 IP 地址到 MAC 地址的映射，即詢問目標IP對應的MAC地址。
- 在網絡通信中，主機和主機通信的數據包需要依據OSI模型從上到下進行數據封裝，當數據封裝完整后，再向外發出。所以在局域網的通信中，不僅需要源目IP地址的封裝，也需要源目MAC的封裝。
- 一般情況下，上層應用程序更多關心IP地址而不關心MAC地址，所以需要通過ARP協議來獲知目的主機的MAC地址，完成數據封裝。