ARP協(xié)議：網絡世界的地址翻譯官

作者 | 雨田
小編 | 不吃豬頭肉 引言
在當今快速發(fā)展的汽車行業(yè)中，車載以太網正逐步成為推動汽車智能化、網聯(lián)化浪潮的核心技術之一。作為傳統(tǒng)以太網技術在汽車領域的創(chuàng)新應用，車載以太網不僅繼承了以太網的開放性、成熟性和互操作性，還針對車輛特有的環(huán)境和需求進行了優(yōu)化與定制，為車載內部的復雜數據傳輸提供了高速、可靠、低延遲的通信平臺。
在復雜的車載網絡拓撲中，主機間通信最初只知道目標設備的IP地址，那如何獲取目標設備的MAC地址呢，這就不得不提到一個關鍵協(xié)議——ARP協(xié)議。

ARP概念
ARP協(xié)議（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）在車載以太網中的作用與傳統(tǒng)以太網中作用相同，是一種網絡層協(xié)議，在網絡世界中扮演著至關重要的角色，它就像是網絡中的地址翻譯官，負責將網絡層的IP地址轉換為數據鏈路層的MAC地址。ARP工作原理
當主機A向主機B發(fā)送數據包時，會經過以下幾步：

1.ARP緩存查詢：主機A首先會在自己的ARP緩存表中查找主機B 的IP地址對應的MAC地址，如在緩存表中存在映射關系，則將IP數據包封裝成以太網幀并發(fā)送給主機B。

2.ARP請求廣播：如果主機A在本地ARP表中查詢不到主機B對應的MAC地址，主機A會以廣播方式發(fā)送一條ARP請求報文，ARP報文中源IP地址和MAC 地址為主機A的IP地址和MAC地址，目標IP地址是主機B地址，目標MAC地址設置為000000:00 。

3.ARP響應：因ARP報文以廣播方式發(fā)送，網段上所有主機都會接收到ARP請求，當主機B收到ARP請求后會比較自己的IP地址和報文中的目標IP地址是否相同，如果相同則回復一條單播ARP響應報文給主機A，響應報文中包含了主機B的IP地址和MAC地址，同時將發(fā)送端的IP地址和MAC地址存入主機B的ARP緩存表中。

4.緩存更新：主機A收到ARP應答后，將主機B的IP地址和MAC地址的對應關系存入自己的ARP緩存表中。

5.數據傳輸：主機A知道了主機B的IP地址和MAC地址，將IP數據包封裝到以太網幀中發(fā)送到主機B。

ARP數據格式

1.以太網幀頭
目的MAC地址：占6字節(jié)，表示目標主機的MAC地址，作為ARP請求幀，目標MAC地址應設置為FFFFFF:FF;源MAC地址：占6字節(jié)，表示源主機的MAC地址；幀類型：占2字節(jié)，表示后面報文類型，對于ARP報文來說該字段值為0x0806；
2.ARP報文格式(以常用ARP報文為例)

硬件類型：占2字節(jié)，表示硬件地址的類型。它的值為 1即表示以太網地址；

協(xié)議類型：占2字節(jié)，表示要映射的協(xié)議地址類型，值等于0x0800時為IPv4協(xié)議；

MAC地址長度：占1字節(jié)，表示MAC地址長度，值為6；

IP地址長度：占1字節(jié)，表示IP地址長度，值為4；

操作類型：占2字節(jié)，表示ARP報文類型，值等于1時為APR請求報文，值等于2時為ARP應答報文；

源MAC地址：占6字節(jié)，表示源主機的MAC地址；

源IP地址：占4字節(jié)，表示源主機的IP地址；

目的MAC地址：占6字節(jié)，表示目標主機的MAC地址，在ARP請求報文中該字段值全為0 ；

目的IP地址：占4字節(jié)，表示目標主機的IP地址；

報文解析示例
ARP請求報文解析示例：
ARP應答報文解析示例：ARP表

ARP表是主機內部的一個高速緩存表，用于臨時存儲IP地址和MAC地址的映射關系，可分為靜態(tài)ARP表和動態(tài)ARP表：

靜態(tài)ARP表：通過手工配置和維護，不會被老化，不會被動態(tài)ARP表項覆蓋。

動態(tài)ARP表：動態(tài)ARP表由ARP協(xié)議通過ARP報文自動生成和維護，可以被老化，可以被新的ARP報文更新，也可以被靜態(tài)ARP表項覆蓋。

常見ARP老化過程
ARP 老化是指 ARP 緩存表中的條目在一定時間內沒有使用而被刪除的過程：

1. 老化時間內：當一個緩存條目在老化時間內沒有被使用（即沒有通過該條目發(fā)生過通信），它就會被視為過時并從ARP表中刪除。

2. 更新重置：在老化時間內有新的數據包需要通過此ARP條目轉發(fā)，該條目的老化周期將被重置，即其老化計時器會被重新開始計算。

3. ARP探測報文：當達到老化時間后，系統(tǒng)會發(fā)送一定次數的ARP探測報文，以確認該條目是否仍然有效，若探測失敗，則刪除該緩存條目。

免費ARP
當主機發(fā)送ARP請求，但請求的目標IP地址是自己本身的IP地址。這種類型的ARP不是為了獲取MAC地址，而是用于更新網絡中的ARP緩存、檢測IP地址沖突或宣告主機更換了新的IP地址。
因免費ARP這些特性使其在DHCP(動態(tài)主機配置協(xié)議)過程中扮演著重要角色，當DHCP客戶端從服務器獲得了一個新的IP地址后，會發(fā)送一個免費ARP廣播包，其目的是檢查網絡中是否有其他設備在使用相同的IP地址，如果存在另一臺設備使用相同IP地址，它將響應這個ARP請求，從而客戶端可以意識到地址沖突并重新向DHCP服務器請求一個新的IP地址。在此過程中確保了新分配的IP地址的唯一性，并促進了網絡中的設備能迅速識別出客戶端的IP地址和MAC地址映射關系。

總結
ARP協(xié)議是網絡通信的基石之一，它的實現也需要符合特定的標準和規(guī)范（如IEEE 802.3以太網標準）。作為車載以太網相關測試人員了解ARP協(xié)議概念及原理是重要的，在車載網絡中可能包含來自不同制造商的主機，它們在實現ARP協(xié)議時可能存在差異，通過測試可以驗證整個網絡中所有主機都能遵循相同的規(guī)則進行地址解析。同時為了提高車載網絡中不同主機間的兼容性，OPEN聯(lián)盟發(fā)布了相應的測試規(guī)范，其中《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 3-7》文檔中定義了ARP協(xié)議相關測試內容，如字段檢測、動態(tài)學習、老化機制等。