ARP相關知識點
在騰訊實習生面試時，一個有關ARP的知識點被面試官問到了，但是當時對ARP知識點一點也不懂。今天根據《TCP/IP詳解》上對ARP的學習，在這裏做下筆記。
當時問的題目是：ARP從源主機到目的主機在內核中被拷貝了幾次？
ARP知識點：
1、ARP在哪一個層工作？
ARP在數據鏈路層工作。
2、ARP的作用
ARP是通過請求/應答模式根據目的主機的IP地址獲取目的主機的MAC地址。
HTTP也是基於請求/應答模式工作的。
3、ARP的工作方式
源主機想要向目的主機發送數據，需要通過ARP協議來獲取目的主機的物理地址(MAC地址)。ARP請求分組以廣播形式發送，以單播形式應答。
4、ARP緩衝機制
ARP是計算機中的一緩衝區，裏邊存放着最近訪問的目的主機的IP--->MAC的映射（目的主機IP------>目的主機MAC）。如果某條映射超過一定的時間不被使用（20Mins），就會被刪除掉。
5、ARP分組格式
ARP分組中最爲重要的是：發送端的IP地址、發送端的MAC地址、目的端的IP地址、目的端的MAC地址。
當一個分組的MAC地址爲 "ff-ff-ff-ff-ff-ff" 時，說明這個分組以廣播形式在該局域網上發送，即發送給該網段的每個主機。如果某個主機是分組中目的IP地址，那麼將對應主機的MAC地址填充進去，並返回一個ARP應答分組。
ARP請求分組中的目的MAC地址就是"ff-ff-ff-ff-ff-ff"，目的主機收到後會將自己的MAC地址填充進去。
6、ARP如何實現IP到MAC地址的映射？
主機A想要向主機B發送數據前要知道主機B的MAC地址。首先A在自己的ARP緩衝表查找，看有沒有主機B的IP--->MAC的映射，如果有則直接取出使用。
如果沒有，要通過ARP請求/應答報文的形式獲取目的主機的MAC地址。在獲取目的主機B的MAC地址時，我們要分兩種情況分析：case1、源主機A與目的主機B在同一個網段（子網掩碼相同）
源主機以廣播形式發送ARP請求報文給該網段的每一個主機，其中請求報文的目標MAC爲'ff:ff:ff:ff:ff:ff'表明爲廣播地址。每個主機收到這個ARP請求報文後，首先將源IP---->源MAC添加到自己的ARP緩衝中，然後將請求報文中的目的IP與自己匹配，如果一樣則將自己的MAC地址填充到ARP分組中，以單播形式向源主機返回一個ARP應答報文。如果與自己的IP不一樣，就丟棄該ARP分組。(如果你是這個IP的擁有者，請你回答你的MAC地址)
源主機收到ARP應答後，將目的IP----->目的MAC的映射添加到自己的ARP緩衝中。
case2、源主機A和目的主機B不在同一個網段(中間隔離若干臺路由器)
這時是通過ARP分組廣播形式獲取該網段的某個路由器的MAC地址，將分組發送給這個路由器。但是路由器收到數據後發現數據的目的主機不是我，那麼路由器還需要繼續往下轉發，同樣以廣播形式發送ARP獲取下一個路由器的MAC地址，將數據發送給下一個路由器，......，直到將數據發送到目的主機。
7、總結
ARP請求分組都是以廣播形式發送給本網絡的所有主機，然後會以單播形式迴應。
如果數據發送方是主機，接收方是本網絡上得另一個主機：直接使用ARP獲取目的主機的MAC地址；
如果數據發送方是主機，接收方是另一個網絡上的主機：使用ARP獲取本網絡上的路由器的MAC地址，將數據發送到這個路由器上，剩下的工作交給這個路由器；
如果數據發送方是路由器，接收方是路由器所在網絡上的主機：使用ARP獲取目的主機的MAC地址；
如果數據發送方是路由器，接收方是另一個網絡上的主機：使用ARP獲取下一個路由器的MAC地址，將數據發送給下一個路由器，剩下的工作交給下一個路由器；
簡單一句話說，ARP在每一個網段中都是以廣播形式發送，以單薄形式返回。
8、例子
如上圖，主機A、B通過路由器連接，屬於兩個不同的網段子網掩碼24（255.255.255.0），這兩個主機之間ARP發送過程爲：
1>主機A有數據發往主機B，數據封裝IP之後發現沒有主機B的mac地址；然後查詢ARP，ARP迴應：「我在192.168.3.0/24網段，目標地址在192.168.4.0/24,不屬於同一網段，需要使用默認網關」；ARP發現默認網關是192.168.3.2，但是沒有網關mac地址，需要先進行查詢
2>主機將數據包先放到緩存中，然後發送ARP查詢報文：封裝自己的mac地址爲源mac，目標mac地址寫全F的廣播地址，請求網關192.168.3.2的mac地址。然後以廣播方式發送出去
3>路由器收到廣播數據包，首先將原192.168.3.1添加到自己的mac地址表中，對應mac地址爲0800.0222.2222。路由發現是請求自己的mac地址，然後路由回覆一個ARP應答：封裝自己的IP地址爲源IP自己的mac地址爲源mac，主機A的IP爲目的IP主機A的mac爲目的mac，發送一個單播應答「我是192.168.3.2.我的mac地址爲 0800.0333.2222」
4>主機收到應答後，將網關mac地址對應192.168.4.2（跨網關通信，其他網段IP地址的mac地址均爲網關mac），然後將緩存中的數據包，封裝網關mac地址進行發送
5>路由收到數據包，檢查目的IP地址，發現不是給自己的，決定要進行路由，然後查詢路由表，需要發往192.168.4.0網段中的192.168.4.2地址。路由準備從相應接口上發出去，然後查詢mac地址表，發現沒有主機B的映射。路由器發送arp請求查詢主機B的mac地址（原理同2、3步，主機B收到請求後首先會添加網關的mac地址，然後單播回覆arp請求）。
6>路由器收到主機B的mac地址後，將其添加到路由mac地址表中，然後將緩存中的數據2層幀頭去掉，封裝自己的mac地址爲源mac，主機B的mac地址爲目的mac（源和目的IP地址不變），加上二層幀頭及校驗，發送給主機B。
7>主機B收到數據之後，進行處理，發送過程結束。
8>如果主機B收到數據後進行回覆，主機B會進行地址判斷，不在同一網段，然後決定將數據發送給網關，主機B查詢mac地址表獲得網關mac地址，將數據封裝後發送（arp地址解析的過程不再需要了，mac地址表條目有一定的有效時間），網關收到數據後直接查詢mac表，將二層幀mac地址更改爲A的mac發送出去。如此，主機A收到主機B的回覆。
9、QuestionQ1、有了IP地址，爲什麼還需要MAC地址？
注意沒經過一個路由器，分組的目的MAC地址會發生改變，但是目的IP地址不會發生改變。報文的目的MAC地址爲嚇一跳的路由器的MAC地址，IP地址仍然爲目的主機的IP地址（目的主機在另外一個網絡上）。
Q2、爲什麼不能廣播到目的主機所在網絡？
因爲路由器是一個廣播域，路由器會隔離廣播的報文。廣播報文無法穿過路由器，每個網段形成一個廣播域。