ARP/RARP协议

lewis_lk
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一、协议介绍

ARP 协议介绍

在计算机网络的复杂体系里，ARP 协议（Address Resolution Protocol）宛如一座关键桥梁，紧密连接着网络层与数据链路层，保障数据顺畅传输。

ARP 协议工作在网络层与数据链路层之间，它主要协助网络层完成数据包向数据链路层的传递，虽然从严格意义上的五层协议（物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层）划分来看，它并不完全归属某一层，但其核心功能与网络层紧密相关，是网络层向下对接数据链路层的重要支撑机制。

RARP协议

RARP（Reverse Address Resolution Protocol）即逆地址解析协议。它的主要作用是将硬件地址（如以太网MAC地址）转换为 IP 地址。这与 ARP（Address Resolution Protocol）协议的功能正好相反，ARP 是将 IP 地址转换为硬件地址。

RARP协议在早期的网络环境中被广泛使用，但随着网络技术的发展，DHCP协议（Dynamic Host Configuration Protocol）因其更灵活和安全的特点逐渐取代了RARP。DHCP不仅可以动态分配IP地址，还提供了其他网络配置信息，因此在现代网络中，RARP的使用已经非常少见。

二、ARP协议的工作原理和流程

2.1、ARP工作原理

  1. ARP 缓存表：每个主机和路由器都维护着一个 ARP 缓存表。这个表存储了 IP 地址和 MAC 地址的映射关系。当一个设备需要发送数据给另一个设备时，它首先会在自己的 ARP 缓存表中查找目标 IP 地址对应的 MAC 地址。
  2. ARP 请求过程：如果在 ARP 缓存表中没有找到对应的 MAC 地址，发送设备就会构造一个 ARP 请求广播帧。这个广播帧包含了发送设备自己的 IP 地址、MAC 地址以及目标设备的 IP 地址。然后，这个广播帧会在本地网络（如以太网局域网）中进行广播。
  3. ARP 应答过程：网络中的所有设备都会收到这个 ARP 请求广播帧。每个设备会检查广播帧中的目标 IP 地址是否是自己。如果是，该设备就会向发送 ARP 请求的设备发送一个 ARP 应答帧。这个 ARP 应答帧包含了自己的 MAC 地址。发送 ARP 请求的设备收到 ARP 应答帧后，就会将目标设备的 IP 地址和 MAC 地址的映射关系添加到自己的 ARP 缓存表中，以便后续通信使用。

2.2、为什么网络传输有了IP，还需要MAC

从上面ARP的工作原理中，我们可以知道ARP协议主要是根据IP查找到MAC地址，那么，为什么网络传输中有了IP，还需要网卡的MAC地址呢？

IP地址的功能：

  1. 逻辑寻址： 为网络设备提供逻辑上的唯一标识符。
  2. 路由选择： 确保数据包能够从源地址到达目的地址。
  3. 网络隔离： 通过子网划分实现网络的逻辑隔离。

MAC地址的功能：

  1. 物理标识： 为网络设备提供物理上的唯一标识符。
  2. 链路层通信： 实现同一局域网内设备间的直接通信。
  3. 设备识别： 在网络管理中用于识别和管理网络设备。

IP地址是逻辑地址，用于网络层，实现跨网络的通信和路由；而MAC地址是物理地址，用于数据链路层，实现局域网内的直接通信和数据传输‌

IP地址确保数据包能够跨越多个网络到达目的网络，而MAC地址则确保数据帧在目的网络内能够正确地传送到目的设备。

在实际的网络通信中，IP地址负责路由选择和跨网络通信，而MAC地址负责局域网内的数据传输。在发送数据时，需要通过ARP（地址解析协议）将IP地址转换为MAC地址，以便在局域网内进行直接通信‌

image.png

2.3、局域网内ARP工作流程

sequenceDiagram
    participant SourceHost as 源主机
    participant TargetHost as 目标主机
    participant OtherHosts as 其他主机

    SourceHost->>SourceHost: 需发送数据给目标主机，检查ARP缓存表是否有目标IP对应MAC地址
    alt 缓存表中有对应MAC地址
        SourceHost->>TargetHost: 使用缓存中MAC地址封装数据帧并发送
    else 缓存表中无对应MAC地址
        SourceHost->>OtherHosts: 构造并广播ARP请求帧（含源IP、源MAC、目标IP等信息）
        OtherHosts->>OtherHosts: 收到ARP请求帧，检查目标IP是否为本机
        alt 是目标主机
            TargetHost->>SourceHost: 单播发送ARP应答帧（含自身MAC地址等信息）
        else 不是目标主机
            OtherHosts->>OtherHosts: 丢弃ARP请求帧
        end
        SourceHost->>SourceHost: 收到ARP应答帧，将目标IP与对应MAC地址记录到ARP缓存表
        SourceHost->>TargetHost: 使用获取的MAC地址封装数据帧并发送
    end

四、RARP协议的工作流程

DHCP协议更加灵活，因此在现代网络中，RARP的使用已经非常少见。对于RARP协议的工作流程了解即可，无需深究。

sequenceDiagram
    participant Client as 客户端（如无盘工作站）
    participant RARP_Server as RARP服务器
    participant OtherDevices as 其他设备

    Client->>OtherDevices: 启动时，发送RARP请求广播包（包含自身MAC地址）
    OtherDevices->>OtherDevices: 收到广播包，其他设备忽略（非RARP服务器）
    RARP_Server->>RARP_Server: RARP服务器收到请求，查找配置表中与请求MAC地址对应的IP地址
    alt 找到对应IP地址
        RARP_Server->>Client: 向客户端发送RARP应答数据包（包含客户端IP地址）
    else 未找到对应IP地址
        RARP_Server->>Client: 不做响应（实际应用中可按特定机制处理错误情况等）
    end
    Client->>Client: 若收到应答，获取IP地址用于后续网络通信
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