乙太網協議是目前最流行的通訊協議之一。從底層到高層協議家族非常龐大。今天為您介紹一下經常用到卻比一定知道的協議。

在鏈路層上，主機和路由器用他們的實體地址來標誌，即48位的實體地址，也是是我們通常所說的網絡卡地址（MAC地址）。

在網路層上，主機和路由器用邏輯地址來標誌，邏輯地址在本地是唯一的，但在全域性上不一定。在TCP/IP協議族中稱為IP地址，現在常用的版本是IPv4，長度是32位。

因此需要能夠將邏輯地址和相應的實體地址之間進行對映，完成這樣的對映可以使用靜態對映和動態對映。

靜態對映：建立一個表，儲存邏輯地址和實體地址之間的關聯關係。然後將網路上的每個主機都儲存這張表。缺點是對映表必須週期的更新，增加了 網路的開銷。

動態地址對映，地址解析協議ARP和逆地址解析協議RARP。

地址解析協議ARP（Address Resolution Protocol），負責完成邏輯地址向實體地址的動態對映，將32位邏輯地址（IP地址）轉換為48位的實體地址（MAC地址）。

ARP/RARP在TCP/IP協議族中的位置

ARP是通過一個查詢表（ARP快取）來執行這種轉換的。當在ARP快取中沒有找到地址時，則向網路傳送一個廣播請求，網路上所有的主機和路由器都接收和處理這個ARP請求，但是隻有相同IP地址的接收到廣播請求的主機或路由器，發回一個ARP應答分組，應答中包含它的IP地址和實體地址，並儲存在請求主機的ARP快取中。其他主機或路由器都丟棄此分組。

ARP/RARP報文封裝在乙太網幀中的格式

上面圖片中兩個表格，上面的表格是ARP協議的報文格式，下面的表格是乙太網幀格式。ARP/RARP協議是介於鏈路層和IP層的。

乙太網幀格式如上圖下面的表格，6個位元組的目的地址（目的主機的MAC地址），6個位元組的源地址（本機的MAC地址），做個不恰當的比喻，MAC地址可以認為是我們的身份證號，全球唯一。

Ethernet II和IEEE802.3的幀格式比較類似，主要的不同點在於前者定義的2位元組的型別，而後者定義的是2位元組的長度；後者定義的有效長度值與前者定義的有效型別值無一相同，這樣就容易區分兩種幀格式了。

幀型別欄位為2個位元組，802.3中表示資料長度，ETHERNET II中表示幀型別。比如0x0800表示後面的報文是IP協議報文，0x0806表示後面的報文是ARP協議報文。通常小於0x0800表示資料長度。

為了能夠同步乙太網資料，在目的地址之前有7個位元組的前導碼和1個位元組的幀起始標誌。

其序列傳送時二進位制表示為：10101010_10101010_10101010_10101010_10101010_10101010_10101010(前導碼)，10101011（幀起始標誌）。但是一定要注意，由於乙太網傳送資料時先發高位元組，同時每個位元組的低位先發，所以最終收的的資料應該是0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0xd5。

在乙太網（ARP協議只適用於區域網）中，如果本地主機想要向某一個IP地址的主機（路由表中的下一跳路由器或者直連的主機，注意此處IP地址不一定是IP資料報中的目的IP）發包，但是並不知道其硬體地址，此時利用ARP協議提供的機制來獲取硬體地址。

具體過程如下：

1) 本地主機在區域網中廣播ARP請求，ARP請求資料幀中包含目的主機的IP地址。意思是“如果你是這個IP地址的擁有者，請回答你的硬體地址”。

2) 目的主機的ARP層解析這份廣播報文，識別出是詢問其硬體地址。於是傳送ARP應答包，裡面包含IP地址及其對應的硬體地址。

3) 本地主機收到ARP應答後，知道了目的地址的硬體地址，之後的資料報就可以傳送了。

點對點鏈路不使用ARP協議。

由上面的介紹我們知道，當乙太網幀結構中幀型別為0x0806時，表示ARP協議。報文格式如下：

硬體型別：2個位元組，定義網路型別，乙太網是型別1，取值0x0001。也就是說ARP協議不僅僅應用於乙太網協議，還可以支援別的鏈路層協議。

協議型別：2個位元組，定義協議型別，對應IPv4協議，值為0x0800。即0x0800表示IP協議。

硬體地址長度：1個位元組，定義以位元組為單位的物理（硬體）地址長度，如果是乙太網，則為6個位元組（MAC地址長度）。

協議地址長度：1個位元組，定義以位元組為單位的邏輯（協議）地址長度，如果是IP協議，則是4個位元組（IP地址長度）。

操作型別：2個位元組，定義分組的型別，有4中操作型別。

        ARP請求  ：0x0001

        ARP應答  ：0x0002

        RARP請求：0x0003

        RARP應答：0x0004

傳送端乙太網地址（硬體地址）：如果是乙太網，則是源主機乙太網地址（MAC地址），此處和乙太網頭中的源地址對應。

傳送端IP地址：如果是IP協議，則表示源主機的IP地址。

目的乙太網地址：如果是乙太網，則是目的乙太網地址（MAC地址），和乙太網頭中的目的地址對應。

目的IP地址：如果是IP協議，則表示源主機要請求硬體地址的IP地址。

對應ARP請求包來說，目的端的硬體地址欄位無須填充，其他欄位都需要填充。對於ARP回覆包來說，所有欄位都需要填充。

APR請求包是廣播的，但是ARP應答幀是單播的。

對於一個ARP請求來說，除目的地址外的所有其他欄位都有填充值，當系統收到一份目的為本機的ARP請求報文後，它就把硬體地址填進去，然後用兩個傳送端地址分別替換兩個目的地址，並把操作欄位改為2，最後把它傳送回去。

根據乙太網協議規定，乙太網資料報最小長度是64位元組（14位元組的乙太網頭，包含4位元組的FCS），而ARP報文資料長度為28位元組，這樣總長度為46位元組，需要在乙太網幀結構中的PAD欄位填充18個位元組，達到乙太網資料報最小長度64位元組，可填充0。

 版權所有權歸卿萃科技，轉載請註明出處 

原文地址：卿萃科技FPGA極客空間 微信公眾號

掃描二維碼關注卿萃科技FPGA極客空間