ARP协议工作原理简介

ARP是Address Resolution Protocal（地址转换协议）的简称，是TCP/IP协议中最底层的协议之一。它的作用是完成IP地址到MAC（物理地址）的转换。在局域网中两台计算机之间的通讯，或者局域网中的计算机将IP数据报转发给网关的时候，网卡都需要知道目标计算机的物理地址，以填充物理帧中的目的地址。

现在假设同一以太网中的计算机A（192.168.0.1）需要向计算机B（192.168.0.2）发送数据报，而此时A尚不知道B的物理地址。为了获得B的物理地址，A在局域网上发送ARP广播，查询192.168.0.2这个物理地址，同时在ARP包中填入自己的物理地址Ma，相当于发出这样的询问“谁拿了192.168.0.2这个地址？请回Ma这个物理地址。”计算机B在收到了这个查询以后，以Ma为目的地址发回一个ARP包，里面包含了自己的物理地址。这样通讯的双方都了解了对方的物理地址，通讯过程正式建立。

通常ARP协议都在支持广播的网络上使用，比方以太网，这种数据包不能跨物理网段使用，即不能跨越一个路由器（除路由器本身还用作ARP代理以外）。

在实际的ARP协议软件的实现中还有一些应该注意的事项：每台计算机上都有一个ARP缓冲，它保存了一定数量的从IP地址到MAC地址的映射，同时当一个ARP广播到来时，虽然这个ARP广播可能与它无关，但ARP协议软件也会把其中的物理地址与IP地址的映射记录下来，这样做的好处是能够减少ARP报在局域网上发送的次数。同时，ARP缓冲中IP地址与物理地址之间的映射并不是一但生成就永久有效，每一个ARP映射表项都有自己的时延，如果过了一定的时间还没有新的ARP到来，那么这个ARP映射就从缓冲中被删除了。那么下一次计算机向这个IP地址发送数据包的时候必须来一次新的查询。

本地网络IP 查找的原理
事实上Windows 本身就用ARP来确定自己的IP地址是否与网络上的另一台计算机发生了冲突。当一个ARP包到来时，Windows 如果检查到其中的IP地址与本机上的相同，而物理地址不同，这时Windows 就会向用户报告这个IP地址已经被别人占用。非常有意思的时，Windows 对待IP地址是以先来后到的顺序分配，如果已经有人先占了，那么本机的网络接口就会被禁用。这也是非常恼人的“特色”因为一旦开机后有了第一次冲突，以后的任何网络操作就都无效了。Windows XP 有了一定的进步，它在发现冲突以后并不禁用接口，而是允许用户进行修复。其实用sniffer可以看到所谓的“修复”也不过是发了几个ARP包出去，把IP“抢”回来。

在以前的文章中我描述了一个用ICMP 回送请求（类似PING）进行IP查找的程序。这个程序用并发的几十个线程同时PING网络上的多台计算机，如果回送请求被正确的应答了，那么可以认为这个IP地址已经被占用，如果没有，我们就宣称它是空闲的。然而它有优点也有缺点，其优点是能够PING很远的计算机，即使不在同一个物理网段上，缺点是当目标计算机上安装了防火墙并禁止了ICMP包，或者采用了防ICMP flood 攻击的规则以后都有可能让ICMP回送请求得不到应答。

ARP的优点与缺点正好与ICMP相反。它无法跨物理网段进行IP查找，但是由于没有防火墙禁止ARP包的通过（想想看，如果禁止了ARP包，也就等于不让人家知道你的物理地址，那么实际上也就是将自己的计算机同网络断开了），所以ARP包的IP查找结果一定是非常精准的。

在实现了一个原始的ARP IP查找版本以后，我发现其结果并不准确，有些已经没有人使用的IP地址被错误的报成有人占用了，难道我的判断是错误的？当然不，这种错误的原因是在Windows 的ARP缓冲中。实际上，在发送一个ARP报文的时候，Windows会首先检查本机的ARP缓冲，如果发现了已经有对应的ARP表项，而且还没有过期的话，Windows 并不会发送这个报文，而是直接返回给调用者这个ARP表项的内容。这样一来，假设有计算机中途掉网，而它的ARP表项还没有过期，那么这个程序仍然能够得到它的IP到MAC的映射，自然也就会错误的宣称这个IP地址还在使用中了。在运行这个程序前，我使用arp –d（事实上，在看了本文以后，你就可以实现一个这样的arp程序了）这个命令来删除缓冲中所有的ARP表项，然后得到的结果就非常准确了。IP Helper API 提供了管理ARP缓冲的过程，所以我修改了这个程序，把arp –d的功能集成到了自己的程序中来。如果看看《使用TCP/IP协议实际网际互连（第二卷）》你就会明白ARP协议软件中的诸多问题