IP地址到物理地址的映射（ARP）
1. 在第四章中，我们讲到：用网络层来屏蔽掉底层网络硬件的差异。在网络层以及网络层以上通信时，我们使用的是IP地址，不是物理地址。但是通信最终的实现是在物理层和链路层的硬件来实现的，所以肯定存在一个问题：如何将IP地址映射到物理地址。
2. 在从源站到最终目的站的路径上，每一步都要进行地址映射：
1）在交付分组的最好一步，分组必须通过一个物理网络送达它的最终目的站，发送分组的计算机在实现传输前，必须把最终目的站的IP地址映射为目的站的物理地址；
2）沿着从源站到目的站的路径，除了最后异步，在任意一点都必须吧分组发送到一个中间路由器。因此，发送方必须把中间路由器的IP地址映射为一个物理地址。
3. 把IP地址映射为物理地址的问题称为“地址解析问题”，TCP/IP协议采用两种地址解析技术。因为物理地址有两种基本类型：固定的长地址（比如以太网物理地址）和易配置的短地址。
1）对于短地址，TCP/IP通过直接映射进行解析
2）对于固定的长地址，TCP/IP通过动态绑定进行解析。使用一个底层协议来动态地绑定地址，这个协议称为“地址解析协议”（Address Resolution Protocol, 简称ARP）.
基本思路为：当主机A要解析主机B的IP地址IB时，它广播一个特殊的分组，请求IP地址为IB的主机用他的物理地址PB做出响应。包括B在内的所有主机都接收到这个请求，但只有主机B识别出他的IP地址，然后发出一个含有自己的物理地址的回答。当A收到回答后，就使用该物理地址把互联网分组直接发送给B。
注：这是主机A和B在同一个局域网中的简单的情况（“直接交付”），当主机A和B不在同一个局域网中时，必须使用“间接交付”ARP报文：主机A使用ARP协议把数据包交给本地路由器，中间路由器进行一步步转发，最后到达目的网络，目的网络路由器使用ARP协议进行“直接交付”。最后主机A得到主机B的物理地址。
判断是否同一局域网的方法为：
利用子网掩码来获得B的IP地址中的网络号与A的IP地址的网络号进行比较来判断。
总之：通过地址解析协议ARP，主机只要知道同一物理网络上某个目的主机的IP地址，就可以找到该目的站的物理地址。
4. ARP高速缓存
为了降低通信费用，使用ARP的计算机维护着一个高速缓存，存放最近获得的IP地址到物理地址的绑定。也就是说，当一台计算机发送一个ARP请求并接收到一个ARP回答后，它就在自身的高速缓存中保存IP地址及对应的物理地址信息，以便于日后查询。当计算机要传输一个分组时，在它发出ARP请求之前，总是先在高速缓存中寻找所需的绑定。如果计算机在它的ARP高速缓存中找到了所要的绑定，就不需要在网络上广播ARP请求。
5. ARP高速缓存超时
ARP高速缓存是软状态（soft state）的一个例子，这种技术常用在网络协议中。软状态描述了这样一种情况：信息可能在没有任何警告的情况下变得“陈旧”。
当地址绑定信息被放入ARP缓存时，协议需要设置一个计时器，其典型的超时时间是20分钟。当计时器超时后必须删除这些信息。
6. ARP的改进
协议中包括了几处对ARP的改进。
1）如果主机A因为需要给主机B发送分组而准备使用ARP，那么很有可能主机B在不久以后需要给A发送分组。由于预感到B的这种需要，为避免额外的网络通信量，A在发给B的请求中包含了A的IP到物理地址的绑定。B从请求中取出A的绑定，把它保存在自己的ARP缓存中，然后给A发送回答。
2）因为A广播它的首次请求，所以网络上的所有机器都接收到该请求，并且都可以从中取出A的IP到物理地址的绑定，然后用此绑定来更新自己的ARP缓存中的相应绑定。
3）当计算机的网卡被替换掉时，它的物理地址就变了。地址变更的计算机可以在启动时，通过广播一个无回报的（gratuitous）ARP请求，把新地址通知该其它主机。
7. ARP与其它协议之间的关系
ARP提供一种可以把IP地址映射到物理地址的机制；无论硬件使用的是哪种底层地址机制，ARP只是把一个新的地址方案施加在底层地址机制上。
总之：ARP是一个隐藏底层网络物理编址并允许给每台机器分配任意IP地址的底层协议。我们把ARP看成是物理网络系统的一部分，而不是互联网协议的一部分。
8. ARP报文的封装与标识
当ARP报文从一台机器传到另一台机器时，必须将其放在物理帧中传输。将ARP报文放在该帧的数据字段中。并在帧的类型字段中用一个特殊值来标志为ARP报文。（回忆一下帧的格式：前同步码8字节 + 目标地址6字节 + 源地址6字节 + 帧类型2字节 + 帧数据(46-1500) + CRC 4字节 ）
9. ARP的协议格式
ARP协议的目的是屏蔽各种不同的底层硬件的，而各种硬件的物理地址不尽相同。所以ARP没有固定格式，但是
在帧首部开头附近包含一些固定字段，用于指定可在后续字段中找到的地址的长度。（ARP报文包含有硬件地址长度字段和协议地址长度字段）
10. ARP缓存自动重新确认
抖动（jitter）现象：即分组间传输时间的差异。主机A向主机B发送数据包，假设要花费很长的时间，那么就可能产生这样的情况：上一个分组发送完毕，在发送下一个分组时，主机A中的关于主机B的物理地址的缓存超时，被删除了，那么下一个分组和上一个分组之间就存在额外的延迟。因为在发送下一个分组之前必须重新利用ARP协议再次获得主机B的物理地址，才能开始发送下一个分组。
为了避免抖动的产生，引入了提早重新确认技术。即把ARP缓存中的每个表项与两个计数器关联起来：传统的定时器和一个重新确认物理地址的计数器。当重新确认计数器超时时，软件将对表项进行检查，如果还有数据报最近还在使用该表项，软件将发送一个ARP请求并继续使用该表项，当接收到ARP回复时，更新主机B的物理地址，并将两个定时器复位。
11. RARP --- 逆地址解析协议
RARP在internet中的重要性目前已经不再存在，但它过去曾经是没有固定存储的自引导（bootstrap）系统所使用的重要协议。RARP允许系统在启动时获得一个IP地址：
在系统启动时，它广播发送一个RARP请求，然后等待响应，网络上的另一台计算机必须配置成监听RARP请求，并生成含义请求方IP地址的RARP回答。一旦应答达到，系统继续启动，并在所有通信中使用获得的IP地址。
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