ARP：连接第二层和第三层
连接第二层和第三层
回想一下，当数据包沿着协议栈向下传输到更低层时，会被添加额外的头部。要发送一个 IP 数据包，我们首先在第三层填写其目的 IP 地址。然后，我们将该数据包传递到第二层，在这里我们必须添加一个 MAC 地址才能沿着链路发送数据包。我们要添加哪个 MAC 地址呢？
首先，我们需要判断目的 IP 地址是位于我们自己的本地网络中，还是位于另一个本地网络中。为了确定这一点，发送方的转发表中会有一个条目，指示本地 IP 地址的范围，有时称为我们的子网。例如，该条目可能会说明 192.0.2.0/24 是直接可达的，这意味着 192.0.2.0 到 192.0.2.255 之间的所有地址都在同一个本地网络中。该表中还有一条默认路由，表明所有其他非本地目的地都应转发到路由器。
如果目的 IP 地址在我们的子网中，我们需要某种方法来在目的 IP 地址和该机器对应的 MAC 地址之间进行转换。如果目的地在我们的子网之外，我们需要某种方法将路由器的 IP 地址（来自转发表）转换为其对应的 MAC 地址，以便我们可以将数据包发送到路由器。
一种简单的解决方案是广播每个数据包，这样目的地或路由器肯定会接收并处理它。然而，这是低效的。它迫使所有设备解析每个数据包（例如，读取第三层头部）以检查该数据包是否是发给自己的。此外，如果第二层网络有多个链路，第二层的交换机就必须在所有链路上泛洪该数据包。
更好的方法是将目的 IP 地址转换为其对应的 MAC 地址（如果是本地的）或路由器的 MAC 地址（如果是非本地的），并在第二层单播该数据包。
ARP：地址解析协议
ARP（地址解析协议） 允许机器将 IP 地址转换为其对应的 MAC 地址。
要请求转换，一台机器可以广播一个请求消息：“我的 MAC 地址是f8:ff:c2:2b:36:16。拥有 IP 地址 192.0.2.1 的机器的 MAC 地址是什么？”
所有不是该 IP 地址的机器都会忽略该消息。拥有该 IP 地址的用户会向发送方的 MAC 地址单播一个回复，内容为 “我是 192.0.2.1，我的 MAC 地址是a2:ff:28:02:f2:10”。
即使没有人询问，机器也可以向所有设备广播自己的 IP 与 MAC 映射。
当你收到一个 IP 与 MAC 的映射时，你可以将其添加到本地的ARP 表中，该表会缓存这些映射以供将来使用。该表还包括每个条目的过期时间，因为 IP 地址并不是永久分配给一台计算机的。另一台计算机可能会被分配相同的 IP 地址，或者同一台计算机可能会更改 IP 地址。（待办：接口？）
步骤 1：
步骤 2：
步骤 3：
步骤 4：
请注意，ARP 直接运行在第二层，因此所有数据包都是通过以太网而不是 IP 来发送和接收的。
连接 ARP 和转发表
回想一下，在路由器的转发表中，我们有时会包含一个条目，表明某个主机直接连接到该路由器。
实际上，路由器的转发表包含一个单独的条目，将整个子网范围的 IP 地址映射为直接可达。如果路由器收到一个目的地在该本地范围内的数据包，路由器会运行 ARP 来找到对应的 MAC 地址，并使用第二层将数据包发送到链路上的正确主机。
这也有助于解决多个主机连接在同一链路上的情况。在我们的概念图中，我们会说主机 A 直接连接在端口 1 上。多个主机可能在该链路上，因此通过使用 ARP，我们可以创建一个第二层数据包，仅单播到主机 A，而不是链路上的其他计算机。
给定一个将 192.0.2.0/24 之类的子网映射为直接可达的转发条目，我们如何确定一个给定的 IP 地址是否在该范围内呢？这时候，使用子网掩码而不是斜线记法来表示范围就很有用了。回想一下，要将这个范围用子网掩码表示，我们将所有固定位设置为 1，所有非固定位设置为 0，得到 255.255.255.0。然后，该范围表示为 192.0.2.0，子网掩码为 255.255.255.0。
现在，要检查一个地址是否在该范围内，我们对该地址和子网掩码执行按位与操作。这会将所有非固定的低位清零，只保留固定的高位。然后，我们检查结果是否与 192.0.2.0（该范围中的第一个地址，其中所有非固定位都是 0）匹配。
请注意，当数据包在各个跳之间转发时，第二层的目的地会更改为下一跳的 MAC 地址，以便数据包可以跨链路传输。然而，第三层的目的地在每个跳之间保持不变。
IPv6 中的邻居发现
ARP 将 IPv4 地址转换为 MAC 地址。要将 IPv6 地址转换为 MAC 地址，我们使用一种类似的协议，称为邻居发现。
邻居发现不是广播 IP 与 MAC 转换的请求，而是将请求多播到特定的组，并且每台计算机根据其 IP 地址监听特定的组。例如，所有 IP 地址以 12:3456 结尾的设备可能监听组 MAC 地址 33:33:FF:12:34:56，而所有 IP 地址以 78:90AB 结尾的设备可能监听组 MAC 地址 33:33:FF:78:90:AB。
如果我想要与 IP 地址以 12:3456 结尾的用户对应的 MAC 地址，我可以将这些 IPv6 位插入到组 MAC 地址中，得到 33:33:FF:12:34:56，并且我知道拥有该 IP 地址的用户一定在监听这个组 MAC 地址。
一些术语：在邻居发现协议中，对映射的请求称为邻居请求，包含映射的回复称为邻居通告。
（注：文档部分内容可能由 AI 生成）