ARP arbeitet auf Schicht 2 (Datenverbindungsschicht) des OSI-Modells, nicht auf Schicht 3. Es ist für die Auflösung von IP-Adressen in MAC-Adressen innerhalb eines lokalen Netzwerksegments verantwortlich. Wenn ein Gerät in einem Netzwerk über seine IP-Adresse mit einem anderen Gerät kommunizieren muss, sendet es eine ARP-Anfragenachricht an alle Geräte innerhalb desselben Subnetzes. Das Gerät, dem die in der ARP-Anfrage angegebene IP-Adresse gehört, antwortet mit einer ARP-Antwortnachricht, die seine MAC-Adresse enthält. Dadurch kann das anfragende Gerät einen ARP-Cache-Eintrag erstellen, der die IP-Adresse der MAC-Adresse zuordnet und so die direkte Kommunikation auf Layer 2 erleichtert.
Layer-3-Switches verwalten normalerweise keine ARP-Tabellen. ARP-Tabellen werden hauptsächlich von Geräten verwendet, die auf Layer 2 arbeiten, wie beispielsweise herkömmliche Switches und Netzwerkschnittstellenkarten (NICs). Layer-3-Switches, auch Multilayer-Switches genannt, arbeiten sowohl auf Layer 2 als auch auf Layer 3 und führen Routing-Funktionen zwischen verschiedenen IP-Subnetzen aus. Sie verwenden in der Regel Routing-Tabellen, um Weiterleitungsentscheidungen auf der Grundlage von Layer-3-(IP-)Adressen zu treffen, und nicht ARP-Tabellen, die speziell für die Layer-2-Adressauflösung gelten.
ARP funktioniert, indem es eine Abfolge von Schritten befolgt, um IP-Adressen in MAC-Adressen innerhalb eines lokalen Netzwerks aufzulösen. Wenn ein Gerät über seine IP-Adresse mit einem anderen Gerät kommunizieren möchte, überprüft es zunächst seinen ARP-Cache (sofern verfügbar) auf eine passende IP-zu-MAC-Adresszuordnung. Wenn die Zuordnung nicht gefunden wird, sendet das Gerät ein ARP-Anfragepaket an alle Geräte im lokalen Netzwerk und gibt dabei die IP-Adresse an, die es auflösen möchte. Das Gerät, dem die IP-Adresse gehört, antwortet mit einem ARP-Antwortpaket, das seine MAC-Adresse enthält. Das anfordernde Gerät aktualisiert dann seinen ARP-Cache mit der IP-zu-MAC-Adresszuordnung, sodass nachfolgende Kommunikationen direkt auf Layer 2 erfolgen können.
ARP ist ein Layer-2-Protokoll, da es innerhalb der Datenverbindungsschicht des OSI-Modells arbeitet. Seine Hauptfunktion besteht darin, IP-Adressen für die Kommunikation innerhalb eines lokalen Netzwerksegments in MAC-Adressen aufzulösen. ARP-Nachrichten werden in Ethernet-Frames (oder anderen Protokollen der Datenverbindungsschicht) gekapselt, was sie speziell für Layer-2-Vorgänge macht, bei denen Geräte über MAC-Adressen kommunizieren, um Datenpakete innerhalb desselben physischen Netzwerksegments auszutauschen.