ARP协议，可以说是在协议栈中属于一个偏底层的、非常重要的、又非常简单的通信协议。
- **ARP协议在协议栈中的位置？**ARP协议在协议栈中的位置非常重要，在理解了他的工作远离之后，也很难说它到底是网络层协议，还是链路层协议，因为它恰恰串联起了网络层和链路层。国外的大部分教程通常将ARP协议放在网络层。
- ARP协议解决了什么问题，地位如何？ARP协议，全称地址解析协议（Address Resolution Protocol），他解决的是网络层和链路层地址之间的转换问题。因为一个IP数据报在屋里上传输的过程中，总是需要直到吓一跳（物理上的下一个目的地）改去往何处，但IP地址属于逻辑地址，而MAC地址才是物理地址，ARP协议解决了IP地址转MAC地址的一些问题。
- **ARP工作原理？**只希望记住几个关键词：ARP表、广播问询、单播响应。
MAC地址全称是媒体访问控制地址（Media Access Control Address）。如果说，互联网中每一个资源都有IP地址唯一标识（IP协议内容），那么一切网络设备都由MAC地址唯一标识。
可以理解为，MAC地址是一个网络设备真正的身份证号，IP地址只是一种不重复的定位方式，也可以理解为MAC地址是身份证号，IP地址是邮政地址。MAC地址也有一些别称，如LAN地址、物理地址、以太网地址等。
还有一点要知道的是，不仅仅是网络资源才有IP地址，网络设备也有IP地址，比如路由器。但从结构上说，路由器等网络设备的作用是组成一个网络，而且通常是内网，所以他们使用的IP地址通常是内网IP，内网的设备在与内网以外的设备进行通信时，需要用到NAT协议。
MAC地址的长度为6字节（48比特），地址空间大小有280万亿之多（2^48），MAC地址由IEEE统一管理与分配，理论上，一个网络设备中的网卡上的MAC地址是永久的。不同的网卡生产商从IEEE那里购买自己的MAC地址空间（MAC的前24比特），也就是前24比特由IEEE统一管理，保证不会重复。而后24比特，由各家生产商自己管理，同样保证生产的两块网卡的MAC地址不会重复。
MAC地址具有可携带行、永久性，身份证号永久的表示一个人的身份，不论他到哪里都不会改变。而IP地址不具有这些性质，当一台设备更换了网络，它的IP地址也就可能发生改变，也就是它在互联网中的定位发生了变化。
最后，记住，MAC地址有一个特殊地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF（全1地址），该地址表示广播地址。
ARP协议工作有一个大前提，那就是ARP表。
在一个局域网内，每个网络设备都自己维护了一个ARP表，ARP表记录了某些其他网络设备的IP地址-MAC地址映射关系，该映射关系以<IP, MAC, TTL>三元表的形式存储。其中，TTL为该映射关系的生存周期，典型值为20分钟，超过该时间，该条目标被丢弃。
ARP的工作原理将分两种场景讨论：
假设当前有如下场景：IP地址为137.196.7.63的主机A，想要给同一局域网内的IP地址为137.196.7.14的主机B，发送IP数据报文。
再次强调，当主机发送IP数据报文时（网络层），进知道目的地的IP地址，并不清楚目的地的MAC地址，而ARP协议就是解决这一问题的。
为了达成这一目标，主机A将不得不通过ARP协议来获取主机B的MAC地址，并将IP报文封装成链路层帧，发送到下一跳上。在该局域网内，关于此将按照时间顺序，依次发生如下事件：
- 主机A检索自己的ARP表，发现ARP表中并无主机B的IP地址对应的映射条目，也就无从知道主机B的MAC地址。
- 主机A将构造一个ARP查询分组，并将其广播到所在的局域网中。
ARP分组是一种特殊报文，ARP分组有两类，一种查询分组，另一种是响应分组，他们具有相同的格式，均包含了发送和接收的IP地址、发送和接收的MAC地址。当然了，查询分组中，发送的IP地址，即为主机A的ip地址，接收的IP地址即为主机B的IP地址，发送的MAC地址也是主机A的MAC地址，但接收的MAC地址绝不会是主机B的MAC地址（因为这正式我们要问询的），而是一个特殊值-FF-FF-FF-FF-FF-FF，之前说过，该MAC地址是广播地址，也就是说，查询分组将广播给该局域网内的所有设备。
- 主机A构造的查询分组将在该局域网内广播，理论上，每一个设备都会受到该分组，并检查查询分组的接收IP地址是否为自己的IP地址，如果是，说明查询分组已经到达了主机B，否则，该查询分组对当前设备无效，丢弃之。
- 主机B收到了查询分组之后，验证是对自己的问询，接着构造一个ARP响应分组，该分组的目的地只有一个-主机A，发送给主机A。同时，主机B提取查询分组中的IP地址和MAC地址信息，在自己的ARP表中构造一条主机A的IP-MAC映射记录。
ARP响应分组具有和ARP查询分组相同的构造，不同的是，发送和接收的IP地址恰恰相反，发送的MAC地址为发送者本身，目标mAC地址为查询分组的发送者，也就是说，ARP响应分组只有一个目的地，而非广播。
- 主机A终将接收到主机B的响应分组，提取出该分组中的IP地址和MAC地址后，构造映射信息，加入到自己的ARP表中。
在整个过程中，有几点需要补充说明的是：
- 主机A想要给主机B发送IP数据报，如果主机B的IP-MAC映射信息已经存在于主机A的ARP表中，那么主机A无序广播，只需提取MAC地址并构造链路层帧发送即可。
- ARP表中的映射信息是有生存周期的，典型值为20分钟。
- 目标主机接收到了问询主机构造的问询报文后，将先把闻讯主机的IP-MAC映射存进自己的ARP表中，这样才能获取到相应的目标MAC地址，顺利的发送响应分组。
更复杂的情况是，发送主机A和接收主机B不在同一个子网内，假设一个一般场景，两台主机所在的子网由一台路由器联通。这里需要注意的是，一般情况下，我们说网络设备都有一个IP地址和一个MAC地址，这里说的网络设备，更严谨的说法应该是一个接口。路由器作为互联设备，具有多个接口，每个接口同样也应该具备不重复的IP地址和MAC地址。因此，在讨论ARP表时，路由器的多个接口都各自维护一个ARP表，而非一个路由器只维护一个ARP表。
接下来，回顾同一子网内的MAC寻址，如果主机A发送一个广播问询分组，那么A所在子网内的所有设备（接口）都将不会捕获该分组，因为该分组的目的IP地址在另一个子网中，本子网内不会有设备成功接收。那么，主机A应该发送怎样的查询分组呢？整个过程按照时间顺序发生的事件如下：
- 主机A查询ARP表，期望寻找到目标路由器的本子网接口的MAC地址。
- 目标路由器指的是，根据目的主机B的IP地址，分析出B所在的子网，能够把报文转发到B所在子网的那个路由器。
- 主机 A 未能找到目标路由器的本子网接口的 MAC 地址，将采用 ARP 协议，问询到该 MAC 地址，由于目标接口与主机 A 在同一个子网内，该过程与同一局域网内的 MAC 寻址相同。
- 主机 A 获取到目标接口的 MAC 地址，先构造 IP 数据报，其中源 IP 是 A 的 IP 地址，目的 IP 地址是 B 的 IP 地址，再构造链路层帧，其中源 MAC 地址是 A 的 MAC 地址，目的 MAC 地址是本子网内与路由器连接的接口的 MAC 地址。主机 A 将把这个链路层帧，以单播的方式，发送给目标接口。
- 目标接口接收到了主机 A 发过来的链路层帧，解析，根据目的 IP 地址，查询转发表，将该 IP 数据报转发到与主机 B 所在子网相连的接口上。到此，该帧已经从主机 A 所在的子网，转移到了主机 B 所在的子网了。
- 路由器接口查询 ARP 表，期望寻找到主机 B 的 MAC 地址。
- 路由器接口如未能找到主机 B 的 MAC 地址，将采用 ARP 协议，广播问询，单播响应，获取到主机 B 的 MAC 地址。
- 路由器接口将对 IP 数据报重新封装成链路层帧，目标 MAC 地址为主机 B 的 MAC 地址，单播发送，直到目的地。
