前言
网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址二获取的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。
数据链路层在进行数据封装的时候，需要目的MAC地址。
一台网络设备要发送数据给另外一台网络设时，必须要知道对方的IP地址。但是，仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路层进行发送，而数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取下一跳的MAC地址。IP地址由网络层来提供，MAC地址通过ARP协议来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分，ARP能够通过目的IP地址发现目标设备的MAC地址，从而实现数据链路层的可达性。
ARP数据包格式：
关于ARP协议属于2层还是3层的讨论：
https://networkengineering.stackexchange.com/questions/5064/on-which-layer-of-the-osi-model-does-the-arp-protocol-belong
这里有句话很好：OSI只是一个模型，没有任何一个协议是完全属于哪一层的。
我们看帧结构，ARP数据直接包含在Ethernet_II中，我个人认为它可以归纳于二层。
网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址。ARP报文中包含以下字段：
1）Hardware Type：硬件地址类型，一般为以太网；
2）Protocol Type：表示三层协议地址类型，一般为IP；
3）Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节； （这个理论上可以不要，因为前面已经确定了硬件类型和协议类型）
4）Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP request和ARP reply；
5）Source Hardware Address 指的是发送ARP报文的设备MAC地址；
6）Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；
7）Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP request报文中，该字段值为0；
8）Destination Protocol Address指的是接受者的IP地址。
ARP工作过程
通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。
ARP缓存
aircrafts-MacBook-Pro:~ ldl$ arp -a
? (10.10.10.1) at bc:67:1c:40:3:f6 on en0 ifscope [ethernet]
? (224.0.0.251) at 1:0:5e:0:0:fb on en0 ifscope permanent [ethernet]
? (224.0.0.252) at 1:0:5e:0:0:fc on en0 ifscope permanent [ethernet]
? (239.255.255.250) at 1:0:5e:7f:ff:fa on en0 ifscope permanent [ethernet]
网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应的信息，则通过发送ARP request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表现会被自动删除。
如果目标设备位于其他网络则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。
ARP 请求
在本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP Request来获取目的MAC。ARP request报文封装在以太帧中。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP request 报文中包含源IP地址，目的IP地址，源MAC地址，目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接受到此ARP request 报文。网关会阻止该报文发送到其他网络上。
FF-FF-FF-FF-FF-FF：MAC广播地址，不是烧录在MAC设备中，而是一个约定好的地址，在发送的时候，目的地址写它，就是MAC广播消息。
ARP响应
所有主机接收到该ARP request报文后，会检查它的目的协议地址（一般是00-00-00-00-00-00-00与所有的匹配）字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。
主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，同事Operation Code被设置为reply。ARP Reply报文通过单播传送。
ARP缓存
主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。ARP表项的老化超时时间缺省为1200秒（20min）。
ARP代理
位于不同网络的网络设备在不配置网关的情况下，能够通过ARP代理实现相互通信。
在上述例子的组网中，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它会将以广播形式发送ARP request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。
在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP request。主机A收到ARP reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。
免费ARP
免费ARP可以用来探测IP地址是否冲突。
主机被分配了IP地址或者IP地址发生变化后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP request报文来进行地址冲突检测。
主机A将ARP request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。
总结：
1.网络设备在什么情况下回发送ARP request?
源设备在发送数据给目的设备前，会首先查看自身的ARP缓存，查找ARP缓存是否在目的设备的IP地址和MAC地址的映射。如果存在则直接使用，如果不存在则会发送ARP request。
2.网络设备什么时候会产生免费ARP？
当网络上的一个设备被分配了IP地址或者IP地址发生变化后，可以通过免费ARP来检查IP地址是否冲突。
