ARP协议在同网段及跨网段下的工作原理
一、ARP在同个网段下的工作原理
首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
例如：
A的地址为：IP：192.168.10.1 MAC: AA-AA-AA-AA-AA-AA
B的地址为：IP：192.168.10.2 MAC: BB-BB-BB-BB-BB-BB
根据上面的所讲的原理，我们简单说明这个过程：A要和B通讯，A就需要知道B的以太网地址，于是A发送一个ARP请求广播（谁是192.168.10.2 ，请告诉192.168.10.1），当B收到该广播，就检查自己，结果发现和自己的一致，然后就向A发送一个ARP单播应答（192.168.10.2 在BB-BB-BB-BB-BB-BB）。
二、局域网中跨网段主机间通讯
不同网段的主机通信时，主机会封装网关（通常是路由器）的mac地址，然后主机将数据发送给路由器，后续路由进行路由转发，通过arp解析目标地址的mac地址，然后将数据包送达目的地。具体过程分析如下：
1、主机A有数据发往主机B，数据封装IP之后发现没有主机B的mac地址；然后查询ARP，ARP回应：“我在192.168.3.0/24网段，目标地址在192.168.4.0/24,不属于同一网段，需要使用默认网关”；ARP发现默认网关是192.168.3.2，但是没有网关mac地址，需要先进行查询；
2、主机将数据包先放到缓存中，然后发送ARP查询报文：封装自己的mac地址为源mac，目标mac地址写全F的广播地址，请求网关192.168.3.2的mac地址。然后以广播方式发送出去；
3、路由器收到广播数据包，首先将原192.168.3.1添加到自己的mac地址表中，对应mac地址为0800.0222.2222。路由发现是请求自己的mac地址，然后路由回复一个ARP应答：封装自己的IP地址为源IP自己的mac地址为源mac，主机A的IP为目的IP主机A的mac为目的mac，发送一个单播应答“我是192.168.3.2.我的mac地址为0800.0333.2222”；
4、主机收到应答后，将网关mac地址对应192.168.4.2（跨网关通信，其他网段IP地址的mac地址均为网关mac），然后将缓存中的数据包，封装网关mac地址进行发送；
5、路由收到数据包，检查目的IP地址，发现不是给自己的，决定要进行路由，然后查询路由表，需要发往192.168.4.0网段中的192.168.4.2地址。路由准备从相应接口上发出去，然后查询mac地址表，发现没有主机B的映射。路由器发送arp请求查询主机B的mac地址（原理同2、3步，主机B收到请求后首先会添加网关的mac地址，然后单播回复arp请求）；
6、路由器收到主机B的mac地址后，将其添加到路由mac地址表中，然后将缓存中的数据2层帧头去掉，封装自己的mac地址为源mac，主机B的mac地址为目的mac（源和目的IP地址不变），加上二层帧头及校验，发送给主机B；
7、主机B收到数据之后，进行处理，发送过程结束；
8、如果主机B收到数据后进行回复，主机B会进行地址判断，不在同一网段，然后决定将数据发送给网关，主机B查询mac地址表获得网关mac地址，将数据封装后发送（arp地址解析的过程不再需要了，mac地址表条目有一定的有效时间），网关收到数据后直接查询mac表，将二层帧mac地址更改为A的mac发送出去。如此，主机A收到主机B的回复；
综上在跨网段通信过程中有以下过程：
1、判断地址是否同一网段
2、查询目的IP地址的mac（发送arp请求）
此外需注意点：
1、ARP请求以广播发送、以单播回应
2、路由器隔离广播。每一个网段都是独立的广播域
3、跨越网段通信需要使用网关的mac地址
交换机的工作原理
说到MAC地址表，就不得不说一下交换机的工作原理了，因为交换机是根据MAC地址表转发数据帧的。在交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，即为MAC地址表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。
交换机的工作原理
交换机在接收到数据帧以后，首先会记录数据帧中的源MAC地址和对应的接口到MAC表中，接着会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去(也就是广播)。
下图为数据经过单交换机的传输过程。
1)主机A会将一个源MAC地址为自己，目标MAC地址为主机B的数据帧发送给交换机。
2)交换机收到此数据帧后，首先将数据帧中的源MAC地址和对应的接口(接口为f 0/1) 记录到MAC地址表中。
3)然后交换机会检查自己的MAC地址表中是否有数据帧中的目标MAC地址的信息，如果有，则从MAC地址表中记录的接口发送出去，如果没有，则会将此数据帧从非接收接口的所有接口发送出去(也就是除了f 0/1接口)。
4)这时，局域网的所有主机都会收到此数据帧，但是只有主机B收到此数据帧时会响应这个广播，并回应一个数据帧，此数据帧中包括主机B的MAC地址。如果没有主机相应这个广播，则会继续向下一个交换机或路由器传播。
5)当交换机收到主机B回应的数据帧后，也会记录数据帧中的源MAC地址(也就是主机B的MAC地址)，这时，再当主机A和主机B通信时，交换机根据MAC地址表中的记录，实现单播了。
下图为经多个交换机进行数据传播的过程。
1)主机A将一个源MAC地址为自己、目标MAC地址主机C的数据帧发送给交换机。
2)交换机1收到此数据帧后，会解析源MAC地址，并检查MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会将数据帧广播出去，主机B和交换机2都会收到此数据帧。主机B会检查本机MAC地址，发现不一样，则不响应。
3)交换机2收到此数据帧后也会将数据帧中的源MAC地址和对应的接口记录到MAC地址表中，并检查自己的MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会广播此数据帧。
4)主机C收到数据帧后，会响应这个数据帧，并回复一个源MAC地址为自己的数据帧，这时交换机1和交换机2都会将主机C的MAC地址记录到自己的MAC地址表中，并且以单播的形式将此数据帧发送给主机A。
5)这时，主机A和主机C通信就是一单播的形式传输数据帧了，主机B和主机C通信如上述过程一样，因此交换机2的MAC地址表中记录着主机A和主机B的MAC地址都对应接口f 0/1。
总结：从上面的两幅图可以看出，交换机具有动态学习源MAC地址的功能，并且交换机的一个接口可以对应多个MAC地址，但是一个MAC地址只能对应一个接口。
注意：交换机动态学习的MAC地址默认只有300S的有效期，如果300S内记录的MAC地址没有通信，则会删除此记录。
转载出处;
arp工作原理转载：https://blog.csdn.net/qq_32220231/article/details/53511362
交换机工作原理转载: https://blog.csdn.net/farmwang/article/details/84966204