地址解析协议（ARP）和反向地址解析协议（RARP）简介

IP地址是不能直接用来进行通信的。这是因为IP地址只是主机在抽象的网络层中的地址。若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，还要传到链路层转变成MAC帧后才能发送到实际的网络上。因此，不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。

由于IP地址有32位，而局域网的硬件地址是48位，因此它们之间不存在简单的映射关系。此外，在一个网络上可能经常会有新的主机加入进来，或撤走一些主机。更换网卡也会使主机的硬件地址改变。可见在主机中应存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还必须能够经常动态更新。地址解析协议ARP很好地解决了这些问题。

每一个主机都设有一个ARP高速缓存（ARP cache），里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。那么主机怎样知道这些地址呢？我们可以通过下面的例子来说明。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的D地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入此帧，然后通过局域网将该帧发往此硬件地址。

也有可能查不到主机B的IP地址的项目。这可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电，其高速缓存还是空的。在这种情况下，主机A就自动运行ARP，然后按以下步骤找出主机B的硬件地址。

（1）ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。图6-10（a）是主机A广播发送ARP请求分组的示意图。ARP请求分组的主要内容是表明：“我的IP地址是209.0.0.5，硬件地址是00-00-15-ARP-18。我想知道IP地址为209.0.0.6的主机的硬件地址。”

（2）在本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。

（3）主机B在ARP请求分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送ARP响应分组，并写入自己的硬件地址。其余的所有主机都不理睬这个ARP请求分组，见图6-10（b）。ARP响应分组的主要内容是表明：“我的IP地址是209.0.0.6，我的硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A。”请注意：虽然ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址。

图6-10　地址解析协议ARP的工作原理图

（a）主机A发送ARP请求分组；（b）主机B向A发送ARP响应分组

（4）主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。

当主机A向B发送数据报时，很可能以后不久主机B还要向A发送数据报，因而主机B也可能要向A发送ARP请求分组。为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。

可见ARP高速缓存非常有用。如果不使用ARP高速缓存，那么任何一个主机只要进行一次通信，就必须在网络上用广播方式发送ARP请求分组，这就使网络上的通信量大大增加。

ARP将已经得到的地址映射保存在高速缓存中，这样就使得该主机下次再和具有同样目的地址的主机通信时，可以直接从高速缓存中找到所需的硬件地址而不必再用广播方式发送ARP请求分组。(www.xing528.com)

ARP将保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间（例如，10～20min）。凡超过生存时间的项口就从高速缓存中删除掉。设置这种地址映射项目的生存时间是很重要的。设想有一种情况，主机A和B通信。A的ARP高速缓存里保存有B的物理地址。但B的网卡突然坏了，B立即更换了一块，因此B的硬件地址就改变了。A还要和B继续通信。A在其ARP高速缓存中查找到B原先的硬件地址，并使用该硬件地址向B发送数据帧。但B原先的硬件地址已经失效了，因此A无法找到主机B。但是过了一段时间，A的ARP高速缓存中已经删除了B原先的硬件地址：（因为它的生存时间到了），于是A重新广播发送ARP请求分组，又找到了B。

图6-11　IP网络配置图

这里需要指出，ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，例如，图6-11所示的主机H1和H2，那么主机H1就无法解析出主机H2的硬件地址（实际上主机H1也不需要知道远程主机H2的硬件地址）。主机H1发送给H2的IP数据报需要通过与主机H1连接在同一个局域网上的路由器R1来转发。因此主机H1这时需要的是将路由器R1的IP地址IP3解析为硬件地址HA3。以便能够将IP数据报传送到转发该数据报的路由器R1。以后，R1从路由表找出了下一跳路由器R2，同时使用ARP解析出R2的硬件地址HA5。于是IP数剧报按照硬件地址HA5转发到路出器R2。路由器R2在转发这个IP数据报时用类似方法解析出目的主机H2的硬件地址HA2，使IP数据报最终交付给主机H2。

这里还要指出，这种从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就全自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。

由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，这几乎是不可能的事。但统一的IP地址把这个复杂问题解决了。连接到因特网的主机都拥有统一的IP地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。

设想有两个主机可以直接使用硬件地址进行通信。再假定其两个主机的网卡都同时坏了，然后又都更换了一块，因此它们的硬件地址也都改变了。这时，这两个主机怎样能够知道对方的硬件地址呢？显然很难。但是地址是独立于主机或路由器的硬件地址的。硬件地址的改变不会影响使用IP协议的主机的通信。

因此，在虚拟的IP网络上用IP地址进行通信给广大的计算机用户带来很大的方便。在进行地址转换时，有时还要用到反向地址解析协议RARP。反向地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址。这种主机往往是无盘工作站。这种无盘工作站一般只要运行其ROM中的文件传送代码，就可用下行装载方法从局域网上其他主机得到所需的操作系统和TCP/IP通信软件，但这些软件中并没有IP地址。无盘工作站要运行ROM中的RARP来获得其IP地址。RARP的工作过程大致如下。

为了使RARP能工作，在局域网上至少有一个主机要充当RARP服务器，无盘工作站先向局域网发出RARP请求分组（在格式上与ARP请求分组相似），并在此分组中给出自己的硬件地址。

RARP服务器有一个事先做好的从无盘工作站的硬件地址到IP地址的映射表，当收到RARP请求分组后，RARP服务器就从这映射表查出该无盘工作站的IP地址。然后写入RARP响应分组，发回给无盘工作站。无盘工作站用此方法获得自己的IP地址。

使用系统自带的arp程序，能够查看本地计算机或另一台计算机的arp高速缓存中的当前内容。一种典型应用是“arp-a”（在UNIX操作系统下是“arp-g”），用于查看高速缓存中的所有项目，如图6-12所示。图中的信息说明本地的IP地址为“59.67.224.193”，下面3个地址“59.67.224.1”、“59.67.224.7”、“59.67.224.14”是本地地址“59.67.224.193”可以连接的网关或路由器。后面还说明了该网关或路由器的MAC地址及其类型。

图6-12　arp程序的应用