IP与ARP解析

由于互联网的诞生，局域网内部的链路层地址无法充当设备的唯一性标识（链路层地址只在局域网内部有效），于是IP地址就站上了历史的舞台，用来唯一地标识接入互联网的设备的接口。如果一个设备具有多个接口，那么每个接口都会拥有一个IP地址，典型的例子是连接多个局域网的路由器，它的每一个接口都有一个独立的IP地址。但计算机通常只有一个接口，那它通常只有一个IP地址，除非特殊组网需要还会配置一些从地址。

IP地址

IP地址是一个32位的二进制数，通常用“点分十进制”表示成“a.b.c.d”的形式。其中a, b, c, d各占用8位，是0～255之间的十进制整数。例如：IP地址192.168.1.10，实际上是32位二进制数11000000. 10101000.00000001.00001010。

IP地址分为ABCDE五类：

A类：0.0.0.0～127.255.255.255；

B类：128.0.0.0～191.255.255.255；

C类：192.0.0.0～223.255.255.255；

D类：224.0.0.0～239.255.255.255；

E类：240.0.0.0～247.255.255.255。

A、B、C三类地址称为单播地址，用于标识一个接口，而目的地址为单播地址的报文称为单播报文；D类地址称为组播地址，目的地址为组播地址的报文称为组播报文，某些启用了特定功能的接口可以收到对应组播地址的组播报文；E类地址暂时不用；还有一个特别地址255.255.255.255，称为广播地址，广播报文可以被所有设备接收。

IP（IPv4）地址中，有三段地址专门用于内部专网（或称为“私网”）的规划，不能被传播到互联网（与“私网”相对应，可以称为“公网”）上：A类地址段中的10.0.0.0～10.255.255.255, B类地址段中的172.16.0.0～172.31.255.255, C类地址段中的192.168.0.0～192.168.255.255；或表示为10.0.0.0/8,172.16.0.0/12,192.168.0.0/16三个网段。

ARP解析

通过静态手工配置或应用层的协议互通，NVR和IPC可以获知对方的IP地址——关于协议互通的详细机制与具体的联网协议相关，我们在后续讲到互联互通时再仔细阐述。

以太局域网的内部通信需要知道链路层地址，即MAC地址。已经知道了对方的IP地址，怎么才能获取对方的MAC地址呢？

小时候父母和老师经常教导我们，鼻子下面是啥？嘴巴啊，不清楚问就行了。

“谁的IP地址是192.168.1.10（NVR的IP），告诉一下MAC地址？”IPC对着大伙喊，这叫广播。

“嗨，来了来了，是我是我，我的MAC是48:EA:63:0E:B7:BF。”NVR对着IPC应答，这叫单播。

规定这个交互过程的协议叫ARP（Address Resolution Protocol），这个过程称为地址解析。在讨论ARP协议之前，我们先了解下MAC地址的单播、组播、广播知识。

每个以太网设备都有一个唯一的属于自己的MAC地址，叫作单播MAC地址，例如48:EA:63:0E:B7:BF，目的MAC为该地址的以太帧只有它才会接收。有一个特别的MAC地址“FF:FF:FF:FF:FF:FF”，它对应于局域网上的所有设备，只要给这个MAC地址发送报文，局域网上的所有设备都会接收，这个MAC地址称为广播MAC地址。另外还有一类地址，对应于以太网上的一组特定的设备，这类MAC地址叫组播MAC地址，目的为组播MAC地址的以太帧，只有加入到这个组播组的设备才会接收。

当IPC不知道NVR的MAC地址的时候，它会发送一个ARP请求报文，通常是一个广播以太帧。大意是“谁知道192.168.1.10的MAC地址是多少，告诉我192.168.1.100”，然后在发送者地址字段填上自己的MAC地址：48:EA:63:0E:00:01。既然不知道对方的MAC地址，目的MAC地址就填广播MAC地址“FF:FF:FF:FF:FF:FF”了。

当NVR收到这个报文后一看，哦，有人问我的MAC地址，那我就告诉他吧。然后发送一个ARP应答报文，通常是一个单播以太帧。大意就是“192.168.1.10的MAC地址是48:EA:63:0E:B7:BF”，然后填上自己的MAC地址48:EA:63:0E:B7:BF，目的MAC地址就是请求人的MAC地址了：48:EA:63:0E:00:01。对了，还要把对方的IP和MAC地址保存下来：“192.168.1.100 48:EA:63:0E:00:01”，下一次给IPC发送报文的时候就不用再次询问对方的MAC地址了——这个存下来的表项就叫ARP表项，如图1-7所示。

与此同时，同一局域网内的其他IPC也能收到该IPC发送给NVR的ARP请求，这些IPC虽然不会发送ARP响应，但也会把这个IPC的MAC地址和IP的对应关系保存下来。下次如果需要向这个IPC发送消息就不用再发送ARP请求了。

再回头看发送ARP请求的IPC，在收到NVR的ARP应答报文后，自然就得到了NVR的MAC地址，于是建立了一个关于NVR的ARP表项：“192.168.1.10 48:EA:63:0E:B7:BF”。

到此为止，双方的ARP表中都有关于彼此的MAC地址了。

上述的ARP学习过程是通过协议动态获取的，这种ARP表项叫作动态ARP。为了节省表项资源，ARP表项需要定期老化清除。相对动态ARP，也可以手工静态配置，这种手工配置的表项叫作静态ARP表项。

免费ARP

有一种特殊的ARP特性叫作免费ARP（Gratuitous ARP）。免费ARP的过程很简单，就是明知故问，发送一个ARP请求报文。比如NVR发送的免费ARP就是“谁知道192.168.1.10的MAC地址，请告诉我192.168.1.10”。这种明知故问的ARP有什么用呢？当设备获得了一个IP地址或刚开机时，为了确定自己的IP有没有被局域网内的其他设备占用，通常会发送一个免费ARP请求；如果局域网内有其他设备已用了这个地址，那个设备就会回应一个ARP应答，于是发送免费ARP的设备就会给予系统提示。例如，NVR收到其他设备关于它的免费ARP的应答，就会提示“IP地址冲突”，便于管理员进行故障排查。

免费ARP的另一个好处是，如果设备IP所对应的MAC地址发生了变化，发送免费ARP可以使得局域网内的其他IP设备立刻刷新该设备的ARP表项。

触发机制

通过ARP解析可以获取对方的MAC地址，原理比较简单。但是昨天老U碰到了一件费解的事情：开始的时候将NVR配成1.1.1.1, IPC配成2.2.2.2，死活不通，后来在BBS上请教了高人，分别改配成192.168.1.10和192.168.1.100才互通成功，这是为什么呢？

我们知道，以太帧用于局域网通信，同样MAC地址只有在局域网内有效，所以，只有当设备认为自己与对方处于同一个局域网时，才会通过ARP协议请求对方的MAC地址，然后将报文直接或通过二层交换机发送给对端设备，这个过程叫二层转发。否则，设备就不会将报文直接发送给对方，而是将报文发送给一个叫“网关”的设备，即前面提到的路由器，由网关转发给处于另一个局域网的目的设备，这个过程叫三层转发。

设备怎么判断对方是否与自己在同一个局域网呢？

一个IP地址可以分解为网络地址和主机地址，网络地址和主机地址的划分是由“地址掩码”决定的。地址掩码为32位，由一串1后面跟随一串0组成，其中1表示IP地址中的网络地址对应的位数，而0表示IP地址中主机地址对应的位数。掩码可以用点分十进制表示，例如点分十进制的掩码255.255.255. 0，实际上是32位二进制数11111111. 11111111. 11111111.00000000；掩码也通常用长度值来表示，即值为1的位的数量，例如掩码255.255.255.0用掩码长度来表示就是24。

当我们配置计算机的IP地址时，除了配置IP地址本身，同时需要配置地址掩码。例如，配置主机地址为192.168.1.10，掩码为255.255.255.0，或这样表示为192.168.1.10/24。

网络地址相同的两个IP地址，称它们处于同一网段，即处于同一局域网。但由于报文的发送方并不知道对方的地址掩码，所以实际的处理方法是：将对方的IP和自己的掩码相与，若结果与自己的网络地址相同，就认为处于同一网段。例如，A主机的地址为192.168.1.10/16, B主机的地址为192.168.1.100/24，则A会认为B与自己在同一网段，因为192.168.1.100与A的16位掩码相与的结果为192.168.0.0，刚好是A的网络地址；B也会认为A与自己在同一网段，因为192.168.1.10与B的24位掩码相与的结果为192.168.1.0，刚好是B的网络地址。所以它们俩会进行二层转发。又比如，A主机的地址为1.1.1.1/24, B主机的地址为2.2.2.2/24，则A不会认为B与自己在同一网段，因为2.2.2.2与A的24位掩码相与的结果2.2.2.0不是A的网络地址；B也不会认为A与自己在同一网段，因为1.1.1.1与自己的24位掩码相与的结果1.1.1.0不是B的网络地址。所以它们不会去发送ARP报文解析对方的MAC地址，而是各自去寻找网关，去解析网关的MAC地址，走三层转发流程。