網(wǎng)絡(luò)上任意兩臺計算機之間的信息傳送，最終都是依靠物理地址來實現(xiàn)的。在網(wǎng)絡(luò)接口層使用的地址就是物理地址。本章討論怎樣把物理地址與在TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上標(biāo)識主機的IP地址關(guān)聯(lián)起來，著重介紹ARP（地址解析協(xié)議），簡單介紹RARP（逆地址解析協(xié)議）。

0第4章地址解析協(xié)議分析

4.1物理地址和網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鏈路如以太網(wǎng)或令牌環(huán)網(wǎng)都有自己的尋址機制，即采用物理地址來標(biāo)識通信接口，對以太網(wǎng)這個地址也叫MAC地址，即IEEE802.3規(guī)定的48bit地址格式。在相鄰的兩個節(jié)點間傳送數(shù)據(jù)幀時，以物理地址來封裝數(shù)據(jù)幀。在網(wǎng)絡(luò)層，用網(wǎng)絡(luò)地址來標(biāo)示通信節(jié)點，用以確定報文的轉(zhuǎn)發(fā)路由。對IP網(wǎng)絡(luò)這個地址即IP地址。1在將IP分組封裝到數(shù)據(jù)鏈路幀中的時候，協(xié)議棧需要獲得IP地址對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址。ARP為IP地址到對應(yīng)的硬件地址之間提供動態(tài)映射。動態(tài)即指這個過程是由系統(tǒng)協(xié)議棧自動完成將某個IP地址解析成對應(yīng)的MAC地址。對于那些沒有磁盤驅(qū)動器的系統(tǒng)，一般是無盤工作站和X終端在引導(dǎo)時需要獲得IP地址，即已獲得網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址但沒有IP地址的情況，這時便需要RARP來完成地址轉(zhuǎn)換。

24.2ARP協(xié)議工作原理4.2.1地址解析的例子下面通過運行一個常見的網(wǎng)絡(luò)通信命令的例子來分析地址解析時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的操作。

假定在局域網(wǎng)中連接有一臺名為mytest.mydomain的Linux主機并已經(jīng)開啟Telnet服務(wù)，在局域網(wǎng)中另一臺主機的終端里敲入下面的命令：

$telnetmytest.mydomain

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系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中將進行下面的步驟，這些步驟在圖4-1中用對應(yīng)的序號標(biāo)注出來了。

應(yīng)用程序Telnet先通過DNS過程獲得目標(biāo)主機的IP地址，然后客戶端用得到的IP地址來和遠(yuǎn)端的主機建立一個TCP連接，即用上述的IP地址來構(gòu)造出一封包含TCP連接請求的IP數(shù)據(jù)報。

IP數(shù)據(jù)報需要被傳送到位于本地網(wǎng)絡(luò)上的目的主機或路由器上，為此，發(fā)送主機必須先把32bit的IP地址轉(zhuǎn)換成48bit的以太網(wǎng)地址（對以太網(wǎng)）從而構(gòu)造出鏈路層的幀（需要鏈路層目的MAC地址）來發(fā)送。54.2ARP協(xié)議工作原理

從邏輯Internet地址到對應(yīng)的物理硬件地址需要進行翻譯，這就是ARP的功能。如果發(fā)送主機不能夠在自己的ARP數(shù)據(jù)庫中獲得地址映射所需要的數(shù)據(jù)，則廣播一個ARP請求幀給以太網(wǎng)上的每個主機，這個過程稱作ARP。如圖4-1中的虛線所示。ARP請求幀中包含目的主機的IP地址，其用意是希望該IP地址的擁有者發(fā)回其硬件地址。

目的主機的ARP層收到這份廣播報文后，構(gòu)造一個包含自己IP地址及對應(yīng)的硬件地址的ARP應(yīng)答返回給請求者。

64.2ARP協(xié)議工作原理

發(fā)送主機收到ARP應(yīng)答后，得到數(shù)據(jù)傳送下一站的MAC地址，從而可以構(gòu)造出鏈路層幀。這時IP數(shù)據(jù)報就可以傳送了。

要注意的是，ARP請求是廣播的，因此ARP請求幀不能穿越路由器，因為路由器對于廣播報文是不轉(zhuǎn)發(fā)的。另外點對點鏈路不需要使用ARP。

74.2.2ARP協(xié)議的工作過程實現(xiàn)ARP功能，將32bit的IP地址映射到48bit的以太網(wǎng)物理地址可以有不同的方式。常用的方式一種是直接方式，一種是動態(tài)綁定方式，也叫動態(tài)聯(lián)編方式。直接方式是事先在主機中建立一張IP地址到物理地址的映射表，這是一個靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫，需要人工來建立和維護，對大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)不太適合，同時可能更新不及時。但這種靜態(tài)的地址綁定方式卻可以滿足一些特殊的要求，比如安全需要。

84.2ARP協(xié)議工作原理ARP協(xié)議的工作主要采用動態(tài)綁定方式，即通過ARP動態(tài)地廣播地址轉(zhuǎn)換請求，只在本地維護一個動態(tài)的高速緩存來實現(xiàn)地址映射數(shù)據(jù)的存放。ARP功能實現(xiàn)的具體工作過程可以描述如下：

（1）每個主機上都有一個ARP高速緩存，這個高速緩存存放了最近使用的IP地址到硬件地址之間的映射記錄。

（2）當(dāng)發(fā)送端封裝IP分組時，要先在高速緩存中查找相應(yīng)的地址映射記錄。

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（3）如果找不到，則ARP發(fā)送一份稱作ARP請求的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給以太網(wǎng)上的每個主機，這個過程稱作ARP廣播。

（4）目的主機的ARP層收到這份廣播報文后，識別出這是發(fā)送端在尋問它的IP地址，于是發(fā)送一個包含IP地址及對應(yīng)的硬件地址的ARP應(yīng)答給發(fā)送方主機。

（5）收到ARP應(yīng)答后，發(fā)送方就可以傳送IP數(shù)據(jù)報了?？梢钥吹?，ARP高效運行的關(guān)鍵就是主機中有存放最近一段時間的IP地址到硬件地址之間映射記錄的高速緩存。

104.2ARP協(xié)議工作原理在每臺使用ARP的主機中，都保留了一個專用的高速緩存區(qū)，存放最新獲得的IP地址到物理地址的映射數(shù)據(jù)。一旦收到ARP應(yīng)答，主機就將從應(yīng)答中得到的對方主機的IP地址和物理地址存入緩存。當(dāng)要發(fā)送報文時，主機首先去緩存中查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如果找不到再利用ARP進行地址廣播。對ARP緩存必須建立一種超時機制，使得緩存中的數(shù)據(jù)在超時后自動失效，才能保證協(xié)議的可靠運行。如果不設(shè)超時會有什么問題呢？

11一般ARP協(xié)議使用計時器方法，當(dāng)計時器超時后則刪除地址綁定數(shù)據(jù)。例如，在地址綁定信息放入ARP緩存時協(xié)議需要設(shè)置一個計時器，一般典型的超時時間是20分鐘，超時后可以把地址信息刪除。如果刪除信息后又有分組需要發(fā)送到這個地址，則只需遵循通常的過程，廣播一個ARP請求即可。

124.2ARP協(xié)議工作原理

為提高效率，ARP高速緩存還做了以下的改進：（1）在ARP請求報文中存有發(fā)送方的IP地址與物理地址的綁定，這樣如果接收方的高速緩存中沒有該地址綁定信息，那么接收方可把收到的ARP請求報文中發(fā)送方的地址信息添加到自己的高速緩存中。怎樣通過實驗來驗證這一點？

（2）發(fā)送方在廣播自己的地址綁定時，網(wǎng)上所有主機都可以將該綁定信息存入自己的高速緩存。不過不是所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或系統(tǒng)實現(xiàn)都支持這樣的情況。13

（3）新機入網(wǎng)時或主機更換網(wǎng)卡時，會主動廣播地址綁定信息，以免其他主機對其進行ARP請求，這就是免費ARP（gratuitousARP）?？梢杂胊rp命令來檢查和操作ARP高速緩存的內(nèi)容（命令用法見實驗4-1）。

思考：捕獲到單播的ARP請求

RFC1122UnicastPoll144.2ARP協(xié)議工作原理154.2.3ARP協(xié)議報文格式ARP報文直接與數(shù)據(jù)鏈路層通信。

封裝有ARP分組的以太網(wǎng)幀報文格式如圖4-2所示。

以太網(wǎng)報頭中若目的地址為全1則是廣播地址，在ARP請求報文中會用到。以太網(wǎng)幀類型對于ARP請求或應(yīng)答來說，該字段的值為0x0806。ARP報文包含9個字段，其報文大小根據(jù)本地網(wǎng)絡(luò)媒介上使用的物理地址的大小的變化而變化。當(dāng)物理媒介是以太網(wǎng)時，在圖4-2中標(biāo)示出的長度為28字節(jié)。報文的前5個字段，用來提供ARP報文的整體功能的描述，后4個字段是ARP有關(guān)的具體地址信息。

164.2ARP協(xié)議工作原理

各個字段的含義解釋如下：1）硬件類型：2字節(jié)，表示被請求的硬件地址的類型。DIXEthernet的地址類型值為1，IEEE802.X的類型值為6，還可以有其他的類型取值。2）協(xié)議類型：2字節(jié)，表示要映射的協(xié)議地址類型。取值為0x0800即表示IP地址（這個值與包含IP數(shù)據(jù)報的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中的類型字段的值相同）。

ARP并不只專用于IP，可以讓任何高層協(xié)議用來尋找與高層協(xié)議地址相關(guān)的硬件地址。

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3）硬件地址長度：1字節(jié)，根據(jù)硬件類型確定的硬件地址的字節(jié)數(shù)。對以太網(wǎng)這個值是6。4）協(xié)議地址長度：1字節(jié)，高層協(xié)議地址的長度，以字節(jié)為單位。對于IP協(xié)議來說這個地址的值總是4。

5）操作：2字節(jié)，表示ARP報文類型。這個字段也叫操作碼，用于區(qū)分報文是ARP請求還是應(yīng)答，或者是RARP請求或應(yīng)答。這個字段是必需的，因為ARP請求和ARP應(yīng)答的幀類型字段值是相同的。操作字段的取值如表4-1所示。

184.2ARP協(xié)議工作原理

6）發(fā)送端硬件地址：發(fā)送該ARP報文的主機硬件地址。對以太網(wǎng)，這個字段長度總是6個字節(jié)，即48bit的MAC地址。

7）發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)地址：對IP網(wǎng)絡(luò)，這就是發(fā)送該ARP報文的主機IP地址，長度是4字節(jié)。

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8）接收端硬件地址：該ARP報文的目的地主機的硬件地址。對以太網(wǎng)這個字段長度也是6個字節(jié)。

9）接收端網(wǎng)絡(luò)地址：4字節(jié)，ARP報文目的地主機的IP地址。204.2ARP協(xié)議工作原理當(dāng)一個設(shè)備發(fā)送ARP請求時，先要填充報文中后4個與地址相關(guān)的字段中的3個，即發(fā)送端硬件地址和IP地址，還提供目標(biāo)的IP地址，因為目標(biāo)的硬件地址是不知道的，此時這個字段填充為0。另外會設(shè)置操作類型字段為“1”表明當(dāng)前的報文是一個ARP請求。然后在局域網(wǎng)上廣播這個請求，使得所有設(shè)備都能偵聽到。一旦主機偵聽到針對自己的地址請求，則提供自己的硬件地址構(gòu)造響應(yīng)報文反饋給請求主機，ARP響應(yīng)報文中交換請求方和響應(yīng)方的IP地址和硬件地址信息，把響應(yīng)報文操作類型字段設(shè)置為“2”表明當(dāng)前報文是一個ARP應(yīng)答。該報文會直接傳播給遠(yuǎn)端請求者而不再是廣播發(fā)送。

214.2ARP協(xié)議工作原理4.3特殊的ARP

由于主機工作的特殊時期或網(wǎng)絡(luò)連接的特定狀況，會形成特殊的ARP工作狀況，分別是免費ARP和代理ARP。

4.3.1免費ARP(gratuitousARP)免費ARP是指主機發(fā)送ARP請求查找自己的IP地址。這時候，ARP請求報文中發(fā)送端的IP地址和目的端的IP地址是一樣的，同時這個ARP請求不希望得到ARP應(yīng)答。免費ARP通常發(fā)生在系統(tǒng)引導(dǎo)期間進行接口配置的時候。

22主機系統(tǒng)重新引導(dǎo)有可能引發(fā)和地址有關(guān)的變化，這需要及時地通知到網(wǎng)絡(luò)上，以便其他主機及時更新其相關(guān)的地址綁定信息。因此免費ARP通常有兩個方面的作用：（1）測試網(wǎng)絡(luò)上是否存在重復(fù)的IP地址。免費ARP其實是在局域網(wǎng)中廣播自己的地址綁定關(guān)系。如果另一臺主機響應(yīng)這個ARP請求，說明該IP地址已經(jīng)在使用，那么該主機就不能夠初始化自己的TCP/IP棧。主機發(fā)出免費ARP請求，卻并不希望收到相應(yīng)的ARP應(yīng)答。

23（2）更新網(wǎng)絡(luò)上其他主機中的地址綁定信息。如果發(fā)送免費ARP的主機的IP地址并未變化，但正好改變了硬件地址，比如更換了網(wǎng)卡，那么這個分組就可以使網(wǎng)絡(luò)上其他主機對其高速緩存中舊的硬件地址進行相應(yīng)的更新。根據(jù)ARP協(xié)議的規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)上的主機如果收到某個IP地址的ARP請求并且這個地址已經(jīng)在接收者的高速緩存中，那么就要用ARP請求中發(fā)送的硬件地址對高速緩存中相應(yīng)的內(nèi)容進行更新。主機接收到任何ARP請求都要完成這個操作。

244.3特殊的ARP

4.3.2代理ARP(ProxyARP)也叫ARP代理。是指如果ARP請求是從一個網(wǎng)絡(luò)的主機發(fā)往另一個網(wǎng)絡(luò)上的主機，那么連接這兩個網(wǎng)絡(luò)的路由器就可以回答該請求，這個過程稱作代理ARP?？疾槿鐖D4-3的網(wǎng)絡(luò)，路由器Router0連接了兩個局域網(wǎng)/24和/16。路由器上只做了靜態(tài)路由配置。圖中已經(jīng)把路由器和各個主機的接口IP地址和MAC地址標(biāo)示出來了。25264.3特殊的ARP注意圖4-3右邊的網(wǎng)絡(luò)/16的網(wǎng)絡(luò)號做了特別的設(shè)置，即與左邊網(wǎng)絡(luò)/24的高16位相同。另外，為在PC3處觀察到ARP代理現(xiàn)象，PC3不配置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。圖4-3代理ARP工作的例子如果從PC3上發(fā)起對/24網(wǎng)絡(luò)中任意的主機通信，假定是運行命令“ping1”，PC3上的IP協(xié)議棧會用自己的網(wǎng)絡(luò)號來判斷要通信的主機PC1是否和自己在同一網(wǎng)段，即用主機的網(wǎng)絡(luò)掩碼對目的IP地址進行運算。由于得到的網(wǎng)絡(luò)號和自己在同一網(wǎng)絡(luò)，因此PC3會將IP數(shù)據(jù)包發(fā)出。但為構(gòu)造數(shù)據(jù)鏈路層的幀PC3需要先發(fā)出一個ARP請求以獲得PC1的MAC地址。

27此時，路由器Router0收到這個ARP請求幀，但因為路由器不轉(zhuǎn)發(fā)廣播幀，所以這個ARP請求會被路由器接收但是不能被PC1收到。此時路由器知道目標(biāo)地址1在自己連接的另外一個子網(wǎng)中，它就會以自己的Fa0/1接口的MAC地址00D0.D359.E002回答PC3。當(dāng)PC3接收到路由器的回答后，就更新MAC地址表，把IP地址1和MAC地址00D0.D359.E002進行綁定。從此，PC3就把所有發(fā)給PC1的分組全部拋向路由器的Fa0/1接口。

284.3特殊的ARP

同理，PC3對網(wǎng)絡(luò)/24中任何一臺主機進行訪問，都會產(chǎn)生一個和上述過程相同的ARP請求和處理過程。在PC3看來這些主機的IP都對應(yīng)了路由器的Fa0/1接口的MAC地址?？梢哉J(rèn)為路由器Router0欺騙了發(fā)起ARP請求的PC3，使其誤以為路由器就是目的主機，而事實上目的主機是在路由器的“另一邊”?？梢?，路由器的功能相當(dāng)于目的主機的代理，把分組從其他主機轉(zhuǎn)發(fā)給它。這時在PC3的ARP高速緩存中發(fā)往多個不同網(wǎng)絡(luò)中的IP地址都被指向路由器的接口地址（用arp命令查看）。這種多個IP地址被映射到一個MAC地址就是ARP代理的標(biāo)志。29這個例子中路由器的ARP代理方式曾經(jīng)用來連接兩個不同的物理網(wǎng)絡(luò)，使得他們之間互相隱藏而感覺像在同一個網(wǎng)絡(luò)中。在實際應(yīng)用中，主機一般都會配置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，這時訪問不在同一個網(wǎng)絡(luò)的主機的IP數(shù)據(jù)報都通過默認(rèn)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，ARP高速緩存中就只有默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的地址綁定信息了。304.3特殊的ARP

代理ARP有兩大應(yīng)用：

一個是有利的，即在防火墻實現(xiàn)中常說的透明模式的實現(xiàn)；

一個是有害的，就是通過它可以達到在交換環(huán)境中進行嗅探的目的。通常在局域網(wǎng)交換環(huán)境中使用Sniffer一類的嗅探工具除了抓到自己的包以外，是不能看到其他主機的網(wǎng)絡(luò)通信的，但是通過利用ARP欺騙可以實現(xiàn)嗅探。31以圖4-3為例。假定PC0是局域網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)，局域網(wǎng)中每個節(jié)點的向外的通信都要通過它。

PC1想要聽主機PC2的通信，先使用ARP欺騙讓主機PC2認(rèn)為它就是主機PC0。此時PC1可以發(fā)一個IP地址為0，物理地址為0060.5C3D.6C99的ARP響應(yīng)包給主機PC2。根據(jù)ARP的工作機制，PC2會更新自己的ARP高速緩存，并把發(fā)往主機PC0的包發(fā)往物理地址為0060.5C3D.6C99主機PC1。這樣便達成了ARP欺騙。

類似地，PC1還要向PC0發(fā)送一個IP地址為192.168.1.12，物理地址為0060.5C3D.6C99的ARP響應(yīng)報文以欺騙PC0。在網(wǎng)絡(luò)安全實踐中，ARP欺騙、ARP病毒的形式都與ARP協(xié)議的工作機制有密切的聯(lián)系。324.3特殊的ARP4.4逆地址解析協(xié)議RARPRARP用于支持無盤工作站在引導(dǎo)或啟動時獲得自身的IP地址。由于無盤工作站中沒有硬盤，更準(zhǔn)確地說是沒有存放有引導(dǎo)所需操作系統(tǒng)文件的輔助存儲器，因而需要從網(wǎng)絡(luò)上獲得引導(dǎo)所需操作系統(tǒng)文件，這就必須先獲得自身的IP地址，從而才可能和存放有系統(tǒng)文件的服務(wù)器進行通信。RARP常常和TFTP（TrivialFileTransferProtocol，簡單文件傳輸協(xié)議）一起使用，即通過RARP獲得IP地址，用TFTP從服務(wù)器獲得系統(tǒng)文件。

33無盤工作站的網(wǎng)卡帶有可引導(dǎo)芯片（一般網(wǎng)卡沒有，支持無盤引導(dǎo)則需要專門的網(wǎng)卡和相應(yīng)的引導(dǎo)芯片）。在無盤工作站啟動時網(wǎng)卡上的引導(dǎo)芯片從系統(tǒng)服務(wù)器中取回所需數(shù)據(jù)供用戶使用。無盤系統(tǒng)的RARP實現(xiàn)過程可以簡單表述如下：

（1）從接口卡上讀取唯一的硬件地址（MAC地址）。

（2）發(fā)送一份RARP請求，請求某個RARP服務(wù)器響應(yīng)該無盤系統(tǒng)的IP地址。RARP請求在網(wǎng)絡(luò)上進行廣播，它在分組中標(biāo)明發(fā)送端的硬件地址，以請求相應(yīng)IP地址的響應(yīng)。

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（3）如果網(wǎng)絡(luò)上有RARP服務(wù)器收到這個請求，則發(fā)送一個RARP應(yīng)答，其中包含有為無盤主機分配的IP地址。一個應(yīng)答通常是單播傳送的。

（4）如果網(wǎng)絡(luò)上沒有RARP服務(wù)器，無盤主機會按一定的時間間隔持續(xù)地發(fā)送RARP請求到網(wǎng)絡(luò)上。RARP采用特殊類型的以太網(wǎng)幀來封裝，其以太網(wǎng)幀類型值為0x8035。

354.4逆地址解析協(xié)議RARPRARP的分組格式基本上與ARP分組一致。區(qū)分RARP請求或應(yīng)答的依據(jù)是表4-1中給出的分組中操作字段的取值。RARP在實現(xiàn)上的主要問題是RARP服務(wù)器的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)RARP服務(wù)器一般要為多個主機提供硬件地址到IP地址的映射，該映射包含在一個磁盤文件中。由于內(nèi)核一般不讀取和分析磁盤文件，因此RARP服務(wù)器的功能就由用戶進程來提供，而不是作為內(nèi)核的TCP/IP實現(xiàn)的一部分。但由于RARP的實現(xiàn)又必須和系統(tǒng)捆綁在一起，因而在實現(xiàn)上較為復(fù)雜。

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(2)路由器不轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致需要多個RARP服務(wù)器。RARP使用鏈路層廣播，大多數(shù)路由器不會轉(zhuǎn)發(fā)RARP請求。為了讓無盤系統(tǒng)在RARP服務(wù)器關(guān)機的狀態(tài)下也能引導(dǎo)，通常在一個網(wǎng)絡(luò)上需要提供多個RARP服務(wù)器。協(xié)調(diào)各個服務(wù)器的工作是一個問題。BOOTP（BootstrapProtocol，引導(dǎo)程序協(xié)議）以及后來的DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol，動態(tài)主機配置協(xié)議）提供了更加健壯、靈活的分配IP地址的方法，目前已取代了RARP。374.4逆地址解析協(xié)議RARP4.5小結(jié)

1.在大多數(shù)的TCP/IP實現(xiàn)中，ARP是一個基礎(chǔ)協(xié)議，用于在將IP分組封裝到數(shù)據(jù)鏈路幀中的時候，獲得IP地址對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口的硬件地址。

2.ARP地址解析過程是由系統(tǒng)協(xié)議棧自動完成的，其運行對于應(yīng)用程序或系統(tǒng)管理員來說一般是透明的、動態(tài)的。

3.ARP高速緩存在協(xié)議的運行過程中非常關(guān)鍵，其中的地址綁定記錄是協(xié)議工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時高速緩存中的每一項記錄內(nèi)容都有一個定時器，根據(jù)它來刪除不完整和完整的表項?？梢杂胊rp命令對高速緩存進行檢查和操作。

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4.ARP分組以特定的幀類型封裝在以太網(wǎng)幀中，其報文格式中的操作字段區(qū)分了ARP的報文類型。

5.免費ARP是一種特殊的AR