開發以太網的小伙伴，對ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）已經見怪不怪。在控制器剛啟動階段，總線上會看到一些ARP報文。那么，問題來了，為什么在控制器啟動階段，會有ARP報文呢？ARP報文到底扮演著什么樣的角色呢？本文，聊一聊ARP。

1、以太網通信基礎

我們知道，以太網是點對點（Point-to-Point）的通信方式。如果兩個以太網節點建立通信，發送節點首先需要知道和誰通信。發送節點如何知道和誰通信呢？

答：MAC地址（Media Access Control Address）。MAC地址也稱為網卡，每一個網卡分配唯一MAC地址（長度為6 Bytes）。所以，知道目標節點MAC地址，才能知道信息要發給誰。而在整車的網絡拓撲中，節點之間的數據交互由交換機（Switch）進行二層轉發，示意如下：

（一）ARP幀格式

不管何種總線，為了確保信息有效交互，會根據軟、硬件層級，設計不同的通信協議。本文關注鏈路層的以太網幀和網絡層的ARP協議，ARP報文封裝在以太網幀的數據段傳輸，如下所示：

硬件類型（2 Byte）：表示硬件地址類型，eg：以太網為1

協議類型（2 Byte）：表示上層協議類型，eg：IPv4為0x0800

硬件地址長度（1Byte）：表示硬件地址長度，eg：以太網為6

協議地址長度（1Byte）：表示協議地址長度，eg：IPv4為4

操作碼（Option，2 Byte）：表示ARP請求或響應的操作類型，eg：請求（Request）為1，響應（Replay）為2

源MAC地址（6 Byte）：發送ARP請求的主機的MAC地址

源IP地址（4Byte）：發送ARP請求的主機的IP地址

目標MAC地址（6Byte）：目標主機的MAC地址（在ARP請求中通常為空，即：全0x00）

目標IP地址（4Byte）：目標主機的IP地址

通過ARP報文格式可以看出，ARP記錄著IP與MAC的對應關系，即：通過IP關聯的MAC地址，最終找到通信的目標節點。

而在TCP/IP的分層結構中，ARP屬于網絡層，因此，網絡層的源節點實體、目標節點實體之間通過IP地址識別彼此。但是，ARP報文封裝在以太網幀中，依賴以太網鏈路層傳輸，而以太網鏈路層的尋址方式為MAC地址，因此，需要把IP地址轉換成MAC地址才能將上層待發送的信息發送給目標節點，所以，這就是ARP出現的意義。

首先，同一局域網內的每個以太網節點，網絡層會分配一個或者多個IP，數據鏈路層固化一個唯一MAC地址，由標識發送節點，如下所示：

其次，通過ARP報文獲取目標節點的MAC，形成目標節點的對，進而，每個以太網節點形成一個ARP Table。有了ARP Table以后，發送方在發送數據之前，就可以通過目標節點的IP地址，查找目標節點的MAC地址，進而發送數據。每個節點的ARP Table示意如下：

（二）交換機如何轉發

ARP Table形成以后，解決了發送節點知道發送給誰的問題，但是，還有一個問題需要解決：交換機（Switch）如何知道信息轉發給誰呢？

答：路由表（Route Table），示意如下：

當交換機某個端口（Port #n）收到以太網幀以后，會通過目標節點的MAC地址查找Route Table，如果找到目標節點端口號，則將信息轉發出去，實現路由的目的。同時，也會檢查發送節點的MAC地址是否已經緩存，如果Route Table中沒有緩存發送節點的MAC，則將發送節點的MAC地址和入口Port緩存到Route Table。

2、ARP通信原理

（一）

控制器初始啟動階段，ARP緩存表為空，即：ARP Table沒有目標節點的信息。此時，發送節點發送ARP報文，請求目標節點的MAC地址。注意：目標節點的IP地址已知。請求示意如下：

發送節點（MCU2）發送的ARP報文信息如下所示：

解析：

發送節點發送ARP報文時，會包含發送節點的IP（192.168.0.2）、發送節點MAC（020000:02）、目標節點的IP（192.168.0.1）；

由于不知道目標節點的MAC，所以，在ARP報文中，目標節點的MAC地址（上圖中的Target Protocol Address）用全0x00表示；

由于發送節點不知道目標節點在哪個位置，所以，發送節點發送ARP請求時，使用廣播的方式發送，即：Destination為全0xFF。

（二）

當交換機收到MCU2的ARP請求報文以后，發現：路由表中找不到目標節點的Port（初始階段為空），于是，交換機向所有端口廣播ARP報文（不包含接收端口），同時，緩存MCU2的MAC2和Port2，如下所示：

（三）

當目標節點（MCU1）收到ARP請求報文以后，發現MAC地址與自身匹配，則接收該ARP報文，同時將發送節點的MAC2緩存下來。MCU1之后給出ARP響應，由于知道了發送節點的MAC地址，所以，MCU1響應ARP報文時，單播發送ARP報文。當交換機收到MCU1的ARP響應以后，發現目標節點是MCU2，而且MCU2的MAC2已經關聯Port2，則直接將ARP報文發送給MCU2，同時，交換機緩存。當MCU1接收到MCU2的ARP響應以后，也會緩存。之后，MCU1和MCU2即可正常通信，示意如下：

提示：非目標節點收到ARP報文以后，直接丟棄。

響應節點（MCU1）發送的ARP報文信息如下所示：

解析： ARP響應報文屬于單播。

審核編輯：劉清