在TCP/IP协议中，有许多的协议会用于网络管理部分，这部分内容一般不会出现在用户的应用层中，而且都是MAC，IP的应用，该层并没有完整实现IP层的协议，协助实现网络中的各种管理功能，这些协议包括ARP， RARP，PING，ICMP，IGMP等。这些协议介于二层与三层之间，因此有时会被称为2.5层，就像RGMII被称为1.5层一样。本文将介绍有用户密切相关的协议–地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）。
1. 地址解析协议
在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是地址解析协议（ARP）协议要做的事情。所谓地址解析（Address Resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。
另外，当发送主机和目的主机不在同一个局域网中时，即便知道对方的MAC地址，两者也不能直接通信，必须经过路由转发才可以。所以此时，发送主机通过ARP协议获得的将不是目的主机的真实MAC地址，而是一台可以通往局域网外的路由器的MAC地址。于是此后发送主机发往目的主机的所有帧，都将发往该路由器，通过它向外发送。这种情况称为委托ARP或ARP代理（ARP Proxy）。
地址解析协议的消息格式很简单，仅包含单一的地址解析请求或响应。ARP 消息的长度取决于上下两层地址的大小，上层地址由所使用的网络协议类型（通常是 IPv4）决定，下层地址则由上层协议所使用的硬件或虚拟链路层的类型决定。消息的报头中包含了这些类型以及对应的地址长度信息，此外还包含了表示请求（1）和应答（2）的操作码。数据包的有效负载为收发双方的硬件地址、协议地址，总计四个地址。
2. 反向地址解析协议
反向地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）与ARP正好相反，根据对方的MAC地址获取对方的IP地址。RARP协议一般很少使用，主要原因是在TCP/IP协议中先封装IP包也就是目的IP是确定的，在封装MAC包之前如果没有对方的MAC地址可以重新通过ARP获得对方的MAC地址，形成MAC-IP对放在主机内存中，在以后的通信中就可以查表实现MAC-IP的配对。
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ARP包的结构
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ARP协议部分在MAC层的位置
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ARP高于MAC层，因此在以太网中接收MAC层服务，下面结合MAC层一起介绍ARP的结构，由ARP组成的MAC层结构如图1所示。
图1 由ARP包组成的MAC层结构
图1描述的MAC层构成如下：
（1）14字节的以太网首部，
目的地址： 为FFFF_FFFF_FFFF，表示广播地址。
源地址： 为本机的MAC地址
类型： 为0x0806，表示MAC层封装了ARP协议。
（2）28字节 ARP协议（请求或应答）
（3）填充部分：填充数据长度18（46-28）字节00
（4）FCS： 使用4字节CRC32
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ARP包的具体结构
ARP包的具体结构如图2所示，ARP首部及地址部分合计28个字节，细节如图3。
图2 ARP包结构
图3 ARP协议细节
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ARP首部：
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（1）硬件类型 以太网 0001，两个字节
（2）协议类型 IP 0800 ，两个字节
（3） 硬件地址长度 6，表示MAC地址长度，一个字节
（4）协议地址长度4，表示IP地址长度，一个字节
（5） 操作码（OP） 0001 -ARP请求 0002-ARP应答 ，两个字节。
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地址部分：
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（1）发送者硬件地址（MAC地址），6个字节。（2）发送者IP地址，4个字节（3）目的硬件地址，6个字节（4）目标IP地址，4个字节。
根据具体的MAC及IP地址，组装后的ARP请求包如图4所示。
图4 包含ARP 请求包的MAC 包
课堂练习：根据ARP组包规则，请写出应答包对应的MAC包。
关于应答包的格式内容， 请参照视频中的讲解。
4. 主机ARP的使用：
- 在计算机的CMD窗口，输入ipconfig /all,查看本机的IP地址及MAC地址，如图5所示。
图5 ipconfig 查看IP与MAC地址
- 输入ARP -a 查看本机存储的IP地址对应的MAC地址，如图6所示。
图6 使用ARP命令查看IP-MAC对
5. ARP在网络通信中的作用及操作流程
以主机A（192.168.38.10）向主机B（192.168.38.11）发送数据为例。
（1）当发送数据时，主机A会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到就知道目标MAC地址為（00-BB-00-62-C2-02），直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可。
（2）如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，主机A就会在网络上发送一个广播（ARP request），目标MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，这表示向同一网段内的所有主机发出这样的询问：“192.168.38.11的MAC地址是什么？”
（3）网络上其他主机并不响应ARP询问，只有主机B接收到这个帧时，才向主机A做出这样的回应（ARP response）：“192.168.38.11的MAC地址是00-BB-00-62-C2-02”，此回应以单播方式。这样，主机A就知道主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息。同时它还更新自己的ARP高速缓存（ARP cache），下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可。
（4）ARP缓存表采用老化机制，在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可减少缓存表的长度，加快查询速度。
（5）免费ARP（gratuitous ARP），他是指主机发送ARP查询（广播）自己的IP地址，当ARP功能被开启或者是端口初始配置完成，主机向网络发送免费ARP来查询自己的IP地址确认地址唯一可用。作用：（1）确定网络中是否有其他主机使用了该IP地址，如果有应答则产生错误消息。（2）免费ARP可以做更新ARP缓存用，网络中的其他主机收到该广播则在缓存中更新条目，收到该广播的主机无论是否存在与IP地址相关的条目都会强制更新，如果存在旧条目则会将MAC更新为广播包中的MAC。
练习：
（1）利用双口BRAM构建ARP请求包
（2）利用双口BRAM构建ARP应答包
（3） 练习使用ARP的各种命令
