（轉）圖解ARP協議
一、ARP概述
如果要在TCP/IP協議棧中選擇一個"最不安全的協議"，那麼我會毫不猶豫把票投給ARP協議。我們經常聽到的這些術語，包括"網路掃描"、"內網滲透"、"中間人攔截"、"區域網流控"、"流量欺騙"，基本都跟ARP脫不了干係。大量的安全工具，例如大名鼎鼎的Cain、功能完備的Ettercap、操作傻瓜式的P2P終結者，底層都要基於ARP實現。
聽上去這麼"逆天"的協議，其實技術原理又簡單的難以置信，例如ARP整個完整互動過程僅需要兩個包，一問一答即可搞定！但是ARP協議也有它令初學者迷惑的地方，例如由它本身延伸出來的"代理ARP"、"免費ARP"、"翻轉ARP"、"逆向ARP"，而這些不同種類的ARP，又應用於不同的場景。好吧，在深入到技術原理之前，作為初學者，我們先記住下面三句話：
①ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析協議， 用於實現從 IP 地址到 MAC 地址的對映，即詢問目標IP對應的MAC地址。
②在網路通訊中，主機和主機通訊的資料包需要依據OSI模型從上到下進行資料封裝，當資料封裝完整後，再向外發出。所以在區域網的通訊中，不僅需要源目IP地址的封裝，也需要源目MAC的封裝。
③一般情況下，上層應用程式更多關心IP地址而不關心MAC地址，所以需要通過ARP協議來獲知目的主機的MAC地址，完成資料封裝。
接下來，我們通過圖解的方式來深入瞭解ARP協議是如何工作的。
二、ARP原理之請求應答
同一個局域網裡面，當PC1需要跟PC2進行通訊時，此時PC1是如何處理的？
根據OSI資料封裝順序，傳送方會自頂向下（從應用層到物理層）封裝資料，然後傳送出去，這裡以PC1 ping PC2的過程舉例==>
PC1封裝資料並且對外發送資料時，上圖中出現了"failed"，即資料封裝失敗了，為什麼？
我們給PC1指令-"ping ip2"，這就告知了目的IP，此時PC1便有了通訊需要的源目IP地址，但是PC1仍然沒有通訊需要的目的MAC地址。這就好比我們要寄一個快遞，如果在快遞單上僅僅寫了收件人的姓名（IP），卻沒有寫收件人的地址（MAC），那麼這個快遞就沒法寄出，因為資訊不完整。
那麼，現在PC1已經有了PC2的IP地址資訊，如何獲取到PC2的MAC地址呢？此時，ARP協議就派上用場了。我們接著上面這張圖，繼續==>
通過第三和第四步驟，我們看到PC1和PC2進行了一次ARP請求和回覆過程，通過這個互動工程，PC1便具備了PC2的MAC地址資訊。
接下來PC1會怎麼做呢？在真正進行通訊之前，PC1還會將PC2的MAC資訊放入本地的【ARP快取表】，表裡面放置了IP和MAC地址的對映資訊，例如 IP2<->MAC2。接下來，PC1再次進行資料封裝，正式進入PING通訊，如下==>
小結：經過上面6個步驟的處理，PC1終於把資料包傳送出去了，之後便可以進行正常的通訊了。看到了吧，ARP的功能和實現過程是如此的簡單：它在傳送方需要目標MAC地址的時及時出手，通過"一問一答"的方式獲取到特定IP對應的MAC地址，然後儲存到本地【ARP快取表】，後續需要的話，就到這裡查詢。
既然是"快取"表，意味著它有時效性，並且如果電腦或者通訊裝置重啟的話，這張表就會清空；也就是說，如果下次需要通訊，又需要進行ARP請求。在我們的windows/macos系統下，可以通過命令列"arp -a"檢視具體資訊=>
三、ARP原理之廣播請求單播迴應
上面的圖解過程看上去簡單又純粹，好像我們就已經把這個協議的精髓全部get到，但其實，我們只是剛揭開了它的面紗，接下來我們才真正進入正題。例如，上面的圖解過程中，整個區域網（LAN）只有PC1和PC2兩個主機，所以這個一問一答過程非常的順暢。
而實際網路中，這個LAN可能有幾十上百的主機，那麼請問，PC1如何將這個【ARP請求包】順利的交給PC2，而PC2又如何順利的把【ARP迴應包】返回給PC1? 我們看下面的圖：
為了營造出"幾十上百"的效果，這裡多添加了2個主機進來 ⁄(⁄ ⁄•⁄ω⁄•⁄ ⁄)⁄，並且增加了有線和無線的環境。那麼，在多主機環境下，PC1現在發出的ARP請求包，怎麼交到PC2手裡？
這時，ARP協議就需要採用乙太網的"廣播"功能：將請求包以廣播的形式傳送，交換機或WiFi裝置（無線路由器）收到廣播包時，會將此資料發給同一區域網的其他所有主機。
那麼，什麼是廣播？對於初學者而言，我們只需要知道，大部分的廣播包，它們有一個共同特徵：二層封裝時目的MAC是全f（ffff.ffff.ffff）或三層封裝時目的IP是全1（255.255.255.255）。可以這樣更方便的記住：目的地址最大的，就是廣播。
註明：廣播根據所在層次可分為二層廣播和三層廣播，根據發生範圍可分為本地廣播和定向廣播，小夥伴們有興趣可以自己再去拓展下。
接下來我們來看下這個ARP廣播請求包接下來是如何工作的？
根據上圖我們看到，PC1傳送的請求廣播包同時被其他主機收到，然後PC3和PC4收到之後（發現不是問自己）則丟棄。而PC2收到之後，根據請求包裡面的資訊（有自己的IP地址），判斷是給自己的，所以不會做丟棄動作，而是返回ARP迴應包。
ARP請求是通過廣播方式來實現的，那麼，PC2返回ARP迴應包，是否也需要通過廣播來實現呢？答案是否定的。大部分網路協議在設計的時候，都需要保持極度剋制，不需要的互動就砍掉，能合併的資訊就合併，能不用廣播就用單播，以此讓頻寬變得更多讓網路變得更快。
那麼，ARP迴應包是如何處理的？這裡需要特別關注ARP請求包的內容，在上面的圖解裡面，ARP請求包的完整資訊是：我的IP地址是IP1，MAC地址是MAC1，請問誰是PC2，你的IP2對應的MAC地址是多少？
簡單來說，ARP請求首先有"自我介紹"，然後才是詢問。這樣的話，PC2在收到請求之後，就可以將PC1的IP和MAC對映資訊儲存在本地的【ARP快取表】，既然知道PC1在哪裡，就可以返回ARP單播迴應包。
這張圖我們需要得到兩個資訊：①被詢問者PC2先生成了ARP對映資訊，然後才是詢問者PC1；②PC3和PC4等其他主機，無法收到這個ARP迴應包，因為是單播形式。
小結：ARP協議通過"一問一答"實現互動，但是"問"和"答"都有講究，"問"是通過廣播形式實現，"答"是通過單播形式。
四、ARP資料包解讀
為了讓大家更好的理解ARP協議以及廣播和單播的概念，我們來看一下用Wireshark抓取到的真實網路中的ARP過程，通過資料包的方式來呈現，地址資訊如下，部分MAC資訊隱去。（建議初學者用GNS3配合Wireshark來抓取協議包進行分析，相比真實網路更加乾淨，方便分析）
主機1 <---> 主機2
主機1： IP1 10.1.20.64 MAC1：00:08:ca:xx:xx:xx
主機2： IP2 10.1.20.109 MAC2：44:6d:57:xx:xx:xx
【ARP請求包】
【ARP迴應包】
【ARP協議欄位解讀】
Hardware type ：硬體型別，標識鏈路層協議
Protocol type： 協議型別，標識網路層協議
Hardware size ：硬體地址大小，標識MAC地址長度，這裡是6個位元組（48bti）
Protocol size： 協議地址大小，標識IP地址長度，這裡是4個位元組（32bit）
Opcode： 操作程式碼，標識ARP資料包型別，1表示請求，2表示迴應
Sender MAC address ：傳送者MAC
Sender IP address ：傳送者IP
Target MAC address ：目標MAC，此處全0表示在請求
Target IP address： 目標IP
五、ARP到底是鏈路層還是網路層？
這個問題的難度堪比另外一個世界級難題：世界上最好的程式語言是什麼？
其實早在20世紀時，W.Richard Stevens在《TCP/IP詳解卷一》裡面就提到了這個難題。這裡給出我個人的協議分層思路，給大家作為參考=>
協議到底所屬哪一層，可以從應用/功能來考慮，也可以從層次/包封裝來考慮。
以ARP協議為例，它的功能最終是獲取到MAC資訊，服務於鏈路層，從這點考慮，ARP是鏈路層協議；但是從層次來看，ARP基於Ethernet協議，IP協議基於Ethernet協議，它們在Ethernet協議裡面有獨立的Type型別，前者是0x0806，後者是0x0800，既然ARP和IP協議"平起平坐"，那麼IP是網路層，ARP難道就不是網路層？
小結：基於功能來考慮，ARP是鏈路層協議；基於分層/包封裝來考慮，ARP是網路層協議。（此方法對於ICMP協議同樣管用）
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