我们前面系列文章提到过，电脑A给电脑B发信息，电脑A需要知道电脑B的IP地址，mac地址等才能正确的把信息发送给电脑B。
上面DNS章节我们讲到，DNS协议可以通过域名查询到IP。
1. 那么电脑A怎么获取电脑B的mac地址呢？
答案是我们可以设计一套可以通过IP查询MAC地址的协议，这套协议，我们把它叫做地址解析协议---Address Resolution Protocol，简称ARP。
ARP协议为广播协议，统一向局域网内所有机器发送请求，接收方如果发现请求的目的IP与自己的IP相同，则返回接收方的IP以及MAC地址，否则忽略。
2. ARP的工作原理
1）局域网内部通信
① A要向C发送信息，但是不知道C的MAC地址，于是系统程序用IP地址在本地的缓存里面找有没有对应的MAC地址；
② 如果有，系统程序返回MAC地址后结束查找MAC地址；否则，A将按照ARP协议格式组织报文，向局域网所有的主机询问目的IP是谁的；
③ 如图，ARP消息报文到达B，先检查MAC地址，发现目的MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，知道是ARP消息，来询问问MAC地址的，于是取出消息中目的IP地址与本机IP地址进行对比，发现不匹配，丢弃消息；
④ 如图，ARP消息报文到达C，先检查MAC地址，发现目的MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，知道是ARP消息，来询问问MAC地址的，于是取出消息中目的IP与本机IP地址进行对比，发现匹配，这个时候C将执行两个动作：
第一、为了方便后面C向A回复消息，C会将A的MAC地址与A的IP地址形成记录在本地保存起来；
第二、C会将自己的MAC地址返回给A；
⑤ A收到C的回复，会将C的MAC地址与C的IP地址形成记录缓存起来；方便后面继续跟C交互。
以上，为局域网内ARP的运作原理。
其中，源主机与目标主机都要缓存对方的MAC地址与IP地址的关联记录；原因是后面源主机与目标主机极有可能进行很多交互，为了不让每次交互都查询MAC地址，缓存在本地是最佳的方案，如果不缓存，每次都ARP泛洪（广播），浪费网络资源（请求要在网络上传输，占用了带宽），影响请求效率（ARP广播需要时间）；值得注意的是：MAC地址与IP的缓存不是永久的，存在有效期，这样做的好处是减少了过多的记录缓存，避免占用过多系统资源，其次，IP地址可能会变更与主机的绑定，如果一直缓存，一旦IP变更绑定，将无法再正常访问目的主机。
2）跨网段访问
如上图：A和C分属不同的局域网，ARP的消息只会在局域网里面进行广播；为了避免广播风暴，消息在其他局域网继续广播，我们会在两个网络之间架设一个设备，这个设备拥有隔离广播的作用，并路由来往于两个网络的消息，这样的设计叫做网关；A和C要想进行通信，我们要求“连接两个网络的设备”必须具有路由功能并只转发目的MAC地址是自己的消息等功能。这样的设备叫做网关设备。
题外话：网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。
网关是一个功能，而不是一个设备，只要一个设备在网络中充当网关角色，那么它就是网关设备；生活中最经常出现的两种网关就是，用于智能家居的蓝牙网关，和以太网网关路由器。
ARP其实属于局域网协议，这种情况目的MAC地址是如何设置的，消息是如何进行传输的呢？
跨网段访问ARP分三个阶段：
① 广播获取网关地址，源主机将消息发送给网关；
② 网关ARP广播获取目的主机MAC，网关重新封装数据，将消息发送给目的主机；
③ 目的主机回复源主机消息。
第一阶段：
① 主机A数据经过网络层的程序封装加入IP地址后，继续向下封装，将数据链路层的MAC地址封装，但是发现没有主机C的MAC地址，于是在本地ARP表里查询，这里假设没有缓存的主机的MAC地址，判断主机C是否和主机A在同一网段；发现主机C的IP不是本网段IP需要跨网段传输，跨网段相当于要出本局域网的这个大门，所以需要找网关，查询ARP表，发现没有网关MAC地址信息；
题外话：网关IP地址从哪里来呢？默认网关或手动设置。
下图为Windows的网关地址设置：
② 主机A先把要发送的信息放入缓存中，然后在本局域网内发送ARP报文请求网关的MAC地址；
ARP消息内容如下：
③ 交换机1将该帧源mac和接口port信息保存到MAC地址表，然后对该广播报文进行泛洪操作；
④ 网关（192.168.1.0）收到广播数据包后，先将主机A的MAC与接口保存到MAC地址表（MAC地址与端口port的对应记录表）中，同时也会保存主机A的MAC与IP到ARP表里，然后对比该报文的目的IP是否为自己，网关发现请求的正是自己的MAC地址，于是网关将自己的MAC地址封装在回复报文里进行回复，内容大概是“我是网关，我的MAC地址是xxxxxxxxxxxxxxxxxx”；
⑤ 网关（192.168.1.0）的回复信息到达交换机1后，交换机1将“网关MAC”与接口信息保存到自己的MAC地址表中，并根据回复信息的目的MAC，在MAC地址表里面找到对应的接口，将信息转发给主机A；
⑥ 主机A收到网关的回复报文后，将网关（192.168.1.0）的MAC地址与IP保存入ARP表里面，将缓存的数据拿出封装，目的IP为主机C的IP；目的MAC为本网段网关（192.168.1.0）的MAC地址（跨网段通信，目的MAC地址统一写本网段内网关的MAC地址，意思是帧交给网关就完事了，由网关进行下一步转发，就没主机的事了，目的MAC写网关即可），重新封装好后进行重新发送。
请求的数据包格式：
第二阶段：网关（192.168.2.0）ARP广播获取目的主机MAC，网关重新封装数据，将消息发送给目的主机C。
① 主机A发送的消息到达网关（192.168.1.0），但是网关（192.168.1.0）发现这个数据包的MAC地址是自己的，但目的IP地址不是，所以就需要进行路由（查询一条前行的道路），从路由表查找通向192.168.2.0网段中主机192.168.2.1的路由信息（即主机C的路由信息），找到后，把消息的目的MAC地址改成网关（192.168.2.0）的MAC地址，然后网关（192.168.1.0）把信息转发给网关（192.168.2.0）。
② 网关（192.168.2.0）发现这个数据包的MAC地址是自己的，但目的IP地址不是；然后查询ARP表，如果存在，就直接替换消息的目的MAC地址，并进行转发，否则网关（192.168.2.0）将发送ARP报文进行问询主机C的MAC地址；
ARP报文格式：
③ 交换机2将主机A的MAC与接口保存到MAC地址表中并泛洪该广播报文；
④ 主机C接收到ARP请求报文，发现是问自己的，将主机A的MAC与IP保存到ARP表中并回复一个ARP Reply报文；
⑤ 交换机2接收到主机C的回复消息，将主机C的MAC与接口保存到MAC地址表中并转发该单播回复报文；
⑥ 网关（192.168.2.0）收到主机C的ARP回复后，将主机A的MAC与IP保存到ARP表中然后将该数据包的目的MAC地址信息封装为主机C的MAC地址、源MAC地址换成网关（192.168.2.0）的MAC地址，加上FCS，封装好后进行发送；
数据报文格式：
题外话：思考下，为何在这里要把源MAC地址换成网关呢？
两个物理接口必须在同一个域。
⑦ 交换机2查询对应目的MAC地址在哪个端进行口转发然后转发；
⑧ 主机C收到数据包进行解封装，将数据包的源MAC地址（网关的MAC地址）和主机A的IP保存到ARP表里，然后处理数据，发送过程完成；
第三阶段：回复消息（这个就简单了，因为刚才的请求已经在对应的节点建立了对应的关系）
① 主机C收到信息后进行回复，不在同网段就回复给本网段网关，通过交换机2转发给网关（192.168.2.0）；
② 网关（192.168.2.0)收到回复后将数据包转发给主机A的对应网关（192.168.1.0），网关（192.168.1.0）查询表，转发给交换机1，再通过交换机1转发到主机A的手中；
3）ARP协议内容详细格式
4）静态ARP
静态ARP表项是由网络管理员手工建立的IP地址和MAC地址之间固定的映射关系。静态ARP表项不会被老化，不会被动态ARP表项覆盖。
① 短静态ARP表项：手工建立IP地址和MAC地址之间固定的映射关系，未同时指定VLAN和出接口。
② 长静态ARP表项：手工建立IP地址和MAC地址之间固定的映射关系，并同时指定该ARP表项所在VLAN和出接口。
5）动态ARP
动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的ARP报文更新，可以被静态ARP表项覆盖。
6）代理ARP
对于没有配置缺省网关的计算机要和其他网络中的计算机实现通信，网关收到源计算机的 ARP 请求会使用自己的 MAC 地址与目标计算机的 IP地址对源计算机进行应答。
代理ARP就是将一个主机“作为”另一个主机对收到的ARP请求进行应答。它能使得在不影响路由表的情况下添加一个新的Router，使得子网对该主机来说变得更透明化。同时也会带来巨大的风险，除了ARP欺骗，和某个网段内的ARP增加，最重要的就是无法对网络拓扑进行网络概括。代理ARP的使用一般是使用在没有配置默认网关和路由策略的网络上的。
7）ARP欺骗
ARP请求，是以广播的形式发送的，局域网上的所有主机，都可以自主地发送ARP应答消息，并且当其他主机收到应答消息时，不会检测该消息的真实性，就将其记录在本地的“ARP缓存表”中。这样攻击者就可以向目标主机发送伪造的“ARP请求包”（错误的IP地址和MAC地址的映射关系），从而篡改目标主机的本地“ARP缓存表”。
ARP欺骗，可以导致目标主机与网关通信失败，更会导致通信重定向，所有的数据都会通过攻击者的机器，因此存在极大的安全隐患。
8）RARP
反向地址转换协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol） 允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或者缓存上请求其 IP 地址。
假设让我们来实现RARP，我们将：
① 我们规定只有RARP服务器能回复RARP广播信息；
② 制定RARP协议格式；
③ 我们编写程序实现RARP协议。
工作原理：
① 发送主机发送一个本地的RARP广播，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址；
② 本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址；
③ 如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用；
④ 如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应；
⑤ 源主机收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败。
- 读者的困惑：感觉上只要IP就能进行通信，不需要Mac地址了？留待大家思考