Learning Objectives
- 說明為什麼送出 IP 封包前要先知道下一站的 MAC 位址
- 描述 ARP 的請求（廣播）與回覆（單播），並解讀 ARP 表
- 說明跨網段時封包交給預設閘道：目的 MAC 是閘道的，目的 IP 仍然是最終的對方
- 從症狀判斷預設閘道沒設、設成不存在的位址或設成一般主機
知道 IP 位址還不夠
PC1 要 ping 同一個網段的 192.168.1.20。IP 封包要裝進乙太網路訊框（frame）才能在線上傳送， 而訊框的目的地寫的是 MAC 位址（第 3 課）：交換器只看 MAC，不看 IP。
| 層 | 用什麼位址 | PC1 現在知道嗎 |
|---|---|---|
| 網路層（IP 封包） | 目的 IP 192.168.1.20 | 知道，使用者輸入的 |
| 資料鏈結層（乙太網路訊框） | 目的 MAC ??:??:??:??:??:?? | 不知道 |
所以 PC1 需要一個「IP 位址 → MAC 位址」的查詢方法，這就是 ARP（Address Resolution Protocol，位址解析協定，1982 年的 RFC 826）：
- PC1 送出 ARP 請求：「誰是 192.168.1.20？請告訴 192.168.1.10。」目的 MAC 是
ff:ff:ff:ff:ff:ff，也就是廣播，同一個網段的每台主機都會收到。 - 只有 192.168.1.20 回 ARP 回覆：「192.168.1.20 在 02:00:00:00:03:01。」回覆直接送給 PC1，是單播。
- PC1 把答案記進 ARP 表（ARP 快取），再把 ping 裝進目的 MAC 是 PC2 的訊框送出。
下次再送給同一個位址就直接查表，不必再問。ARP 表的記錄會在一段時間後過期（各作業系統的時間不同），以免對方換了網卡還用舊的 MAC。
在自己的電腦上，Windows 與 macOS 可以用 arp -a 看 ARP 表，Linux 用 ip neigh。
小測驗：ARP
ARP 請求的目的 MAC 位址是什麼？
PC1 剛 ping 過 PC2，十秒後再 ping 一次。第二次會怎樣？
ARP 的請求能不能穿過路由器，問到另一個網段的主機？
跨網段：交給預設閘道
PC1（192.168.1.10/24）要連 10.0.2.10。它先用遮罩判斷（第 6 課）：10.0.2.10 不在 192.168.1.0/24 裡， 不能直接送；ARP 請求也問不到別的網段。這時封包交給預設閘道（default gateway），也就是同網段裡那台路由器的介面。
關鍵在於兩層位址的分工：
| 欄位 | PC1 送出的訊框 | R1 轉送出去的訊框 |
|---|---|---|
| 來源 MAC | PC1 | R1 的 g1 |
| 目的 MAC | R1 的 g0（閘道） | SRV |
| 來源 IP | 192.168.1.10 | 192.168.1.10（不變） |
| 目的 IP | 10.0.2.10（最終的對方） | 10.0.2.10（不變） |
- PC1 用 ARP 問的是閘道 192.168.1.1 的 MAC，不是 10.0.2.10 的 MAC。
- IP 位址從頭到尾不變（第 12 課的 NAT 例外），MAC 位址每經過一台路由器就換一次：每一段只負責送到下一站。
- 路由器收到後查路由表（第 9 課），再用 ARP 問下一站的 MAC，重新裝進新的訊框。
所以 PC1 的 ARP 表裡只會有閘道，不會有 10.0.2.10。閘道的位址通常是網段的第一個或最後一個可用位址（例如 .1 或 .254），這只是習慣，不是規定。
閘道設錯的症狀
閘道設錯時，同網段的通訊完全正常，只有跨網段不通，這是最典型的線索。常見的錯誤：
| 錯誤 | 症狀 | 封包紀錄看得到什麼 |
|---|---|---|
| 沒有設定閘道 | 跨網段立刻失敗 | 沒有任何封包送出，主機說「沒有路由」 |
| 設成不存在的位址（例如打錯成 .254） | 跨網段失敗 | 主機一直問「誰是 192.168.1.254？」，沒有人回答 |
| 設成同網段的一般主機 | 跨網段失敗 | ARP 問得到（那台主機會回覆），封包送到了，但主機不轉送別人的封包 |
| 閘道不在自己的網段（第 6 課的遮罩問題） | 跨網段失敗 | 主機說「沒有路由」 |
排錯的順序：先 ping 自己的閘道（同網段，確認第 2 層與 ARP 正常），再 ping 外面的位址。前者通、後者不通，就檢查閘道設定與路由。
安全預告：ARP 沒有任何驗證，主機收到回覆就相信。有心人可以不斷送出假的 ARP 回覆，宣稱「閘道的 IP 在我的 MAC」， 讓別人的封包先經過自己的電腦，這叫 ARP 偽冒（ARP spoofing）。第 23 課會說明它的原理與防禦方法（例如交換器的動態 ARP 檢查）。
小測驗：預設閘道
PC1（192.168.1.10）送給 10.0.2.10 的訊框，離開 PC1 時的目的 MAC 與目的 IP 分別是？
封包從 PC1 經過兩台路由器到達伺服器。途中哪一個欄位沒有改變？
同學的電腦能 ping 到同網段的印表機，也能 ping 到 192.168.1.1（學校的路由器），但連不上任何外面的網站。最該先檢查什麼？
重點整理
- 乙太網路訊框靠 MAC 位址送達；知道 IP 之後，還要用 ARP 問出下一站的 MAC。
- ARP 請求是廣播、回覆是單播；答案記進 ARP 表，一段時間後過期。只有被問的主機會記下發問者。
- 目的地在同一個網段：直接問對方的 MAC。不在：交給預設閘道，問的是閘道的 MAC。
- 一路上 IP 位址不變、MAC 位址每一段都換。
- 閘道設錯的共同症狀：同網段正常、跨網段不通。先 ping 閘道，再 ping 外面，看封包停在哪裡。
- ARP 沒有驗證，可能被偽冒；防禦方法在第 23 課。
封包交給閘道之後，路由器怎麼決定下一步往哪裡送？下一課講路由表與靜態路由。