在实践中深入理解ARP协议

0.说明

        在同一个网络（无特别说明，均指以太网络）中进行通信的主机，必须要拥有目标主机的MAC地址才能够正确地将数据发送给目标主机，那么如何知道目标主机的MAC地址呢？可以通过ARP协议。ARP协议就是用来获取目标IP地址所对应的MAC地址的，也就是说，ARP协议可以动态地在三层IP地址和二层MAC地址之间建立一种映射关系。可以用如下示意图来形象表示其作用：

        可以看到上面的图示是把ARP协议划分到网络层，也既是认为它是一个网络层的协议，这是出于它为网络层的IP协议提供服务而考虑的。但实际上，由于ARP协议用以解析出IP地址（逻辑地址）所对应数据链路层中的地址（物理地址/硬件地址），所以把其划分在数据链路层也是没有问题的，这并没有严格的定义。

        我们下面将通过具体的实践过程来分析四种常见的ARP包：ARP请求包、ARP响应包、无偿ARP包与IP地址冲突检测，同时也会分析一下ARP代理的发生过程。

        这里会使用的环境如下：

• 网络设备模拟器：GNS3

• 抓包软件：Wireshark

1.网络环境搭建

        为了简洁起见，这里不设置一个较大的网络环境来满足前面四种情况ARP包分析的需要，而是在分析不同的ARP情况时分别搭建较小的网络环境，这样可以使我们的分析更有针对性。

2.ARP包报文格式

        如下：

        注意我们关注的是28字节的ARP包，只不过上面的图还包含了以太网首部字段信息（显然以太网首部的帧类型为ARP，在分析IP协议时提到过，这是一个数据分用的概念）。

        因为对于ARP包的分析，其实我们更关心的应该是ARP请求包、ARP响应包、无偿ARP包或者ARP代理相关的知识，而后面的实践也主要是分类地进行讨论。所以下面先给出一个普通ARP包（请求包）的实际结构，然后再给出每一个字段的具体含义（参考了《TCP/IP详解 卷1：协议》的部分内容），先作一个基本的了解，最后再详细分析这些包产生的过程：

• 一个普通ARP包（请求包的实际结构）

• ARP包各字段具体含义（对比上面实际抓到的包）
  

3.在实践中分析ARP的实现过程：ARP请求、ARP响应

（1）网络环境搭建

        本节主要是抓取ARP请求包和ARP响应包来分析ARP请求与响应的一个详细过程，以及对应ARP包中相关字段的含义，这个实践的网络环境比较简单，如下：

        在R1路由器上做如下配置：

        在R2路由器上做如下配置：

        然后在R1路由器上查看arp缓存表：

        可以看到arp缓存表中并没有192.168.1.2的MAC地址，所以如果待会R1发送数据给R2，必然会有ARP请求发生，所以这里请确保R1中确实没有192.168.1.2的MAC地址，如果有的话，建议重启两个路由器。（虽然可以在路由器上执行clear arp-cache来清除arp缓存表，但是清除过后又会马上生成，所以这里建议直接重启）

（2）抓取并分析ARP请求包和ARP响应包

        首先在R1和R2的链路上启动Wireshark，监测R1的接口。（这是GNS3的功能，可以直接抓取通过两个路由器之间链路的数据包）

        在R1上执行如下命令：

        ！表示数据发送成功，可以看到第一个是"."，则表示数据发送失败，这是因为，第一个包在发送时，R1中并没有192.168.1.2的MAC地址，于是就去发送ARP请求来获得其MAC地址，但是当获得MAC地址之后，第一个包已经超时了（等待MAC地址超时），并没有发送出去，可以看下面抓到的包：

        可以看到已经有2个ARP包（1个请求和1回答）和8个ICMP包（4个请求和4个回答），这里我们主要分析的是ARP包。

• ARP请求包

        数据包结构如下：

        字段分析如下：

a.硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度

        这几个字段的内容跟前面讨论的一样，因为针对的是以太网和IP地址

b.操作字段Opcode

        可以看到Opcode的值为request(1)，所以这是一个ARP请求包。

c.发送端以太网地址

        我们是从R1向R2发送数据的。

        从前面的命令执行结果：

        这确实是R1的MAC地址（配置了192.168.1.1 IP地址的接口的MAC地址）。

d.发送端IP地址

        发送端也确实是192.168.1.1，也就是R1。

e.目的以太网地址

        可以看到这里为全0，在ARP请求包中，会把目的以太网地址字段的值置为全0，因为此时并不知道目的以太网地址是什么（也就是不知道192.168.1.2的MAC地址是多少）。

f.目的IP地址

        数据包是从R1发送给R2的，所以目的IP地址就是192.168.1.2，R2收到这个ARP请求包之后，如果看到这个字段的内容是自己的IP地址，就会回复这个ARP包，也就是会发送一个ARP响应包。

        其实字段内容并不难理解，不过这里需要注意一点是，查看这个ARP请求包的数据链路层的目的MAC地址：

        会发现其是一个广播地址，这也就意味着，发送一个ARP请求包，以太网中的所有主机都能够收到该ARP请求包，但是并不是所有的主机都会回复这个ARP请求包，只有当接收者的IP地址与ARP请求包中的Target IP address中标识的目的IP地址一致时才会进行回复。

• ARP响应包

        数据包结构如下：

        对比ARP请求包来分析，其实发现并没有相关多少，只是有以下几点区别：
a.ARP响应包的操作字段Opcode值为reply(2)

b.ARP响应包的二层目的MAC地址为ARP请求包发送者的MAC地址

        也就是说，ARP请求包是以广播的形式发送的，但ARP则是以单播的形式发送的，那么发给谁呢？ARP请求包是谁发送的，ARP响应包就发给谁，对应的二层目的MAC地址就是ARP请求包发送者的MAC地址

c.发送端以太网地址、发送端IP地址、目的以太网地址、目的IP地址

        跟ARP请求包的内容相反，只不过ARP响应包中的所有地址字段的值都是已知的，这个很容易理解，不过需要注意的是，在这个时候，ARP响应包到底要发给谁，已经很明确了，所以ARP响应包是一个单播包。

        正如上面看到的，理解常规的ARP请求包和ARP响应包的过程并不复杂，只要知道了网络通信的基本原理，各个字段的值也就很容易理解了。

4.在实践中分析ARP的实现过程：无偿ARP与IP地址冲突检测

• 有偿ARP

        前面在获取某个IP地址对应的MAC地址是，都需要先发送一个ARP请求包，然后再通过接收一个ARP响应包来知道该IP地址所对应的MAC地址，因为需要发送ARP请求包，我们可以认为这是“有偿”的，即要付出一些代价。

• 无偿ARP
  

        而所谓无偿ARP，指的就是，我不需要发送一个ARP请求包，对方就会“无偿”地把一个ARP响应包发给我（其实也主是主动发送过来），以此来告诉我它的MAC地址。

（1）网络环境搭建

        但是在总结什么时候对方会主动把一个ARP响应包发送过来之前，我们先实践一下，网络环境还是用上面的那个：

        不过我们需要修改一下R2的IP地址，修改为192.168.1.252（在这个过程中抓包软件Wireshark要打开），如下：

（2）抓取并分析ARP请求包和ARP响应包

        这样做之后打开Wireshark软件，会发现抓到下面这样一个包：

        可以看到Info一列，有个Gratutous的标识，中文意思就是“无偿，免费”的意思，我们可以查看一下数据包的结构：

        通过查看操作字段Opcode的值，其实可以发现，无偿ARP其实也是一个ARP响应包（不过普通的ARP响应包是以单播的形式发送的，而无偿ARP是以广播的形式发送的），只不过这个ARP响应包比较特别，它是主动发送的，即它是gratuitous，无偿的。

        另外需要注意的是，发送端IP地址和目的IP地址是一样，这正是无偿ARP有别于普通ARP响应包的地方，当这个数据包被网络中的其他主机（显然我们这里的网络环境比较简单，所以只有R1）接收到之后，它会让这些主机使用新的IP和MAC地址关系更新它们的ARP缓存表。因为这个ARP数据包是未经请求的，即导致客户端更新ARP缓存，所以会称为无偿ARP。

        在分析了无偿ARP之后，给出下面的几种情况，都会有无偿ARP过程的发生：

a.更改了设备的IP地址

b.某些操作系统在启动完成之后就会发送无偿ARP（Windows和Linux都会）        

（3）IP地址冲突检测

        再分析一下，无偿ARP有什么好处呢？如下：

a.可以让以太网中的主机及时地更新其ARP缓存表，这样可以确保在数据发送时可以准确地封闭正确的地址信息

b.检测IP地址是否有冲突

        关于这一点，可以给R2重新配置一个IP地址，并且与R1的相同：

        几乎马上就可以在R1和R2的控制台上看到错误日志的输出：

        这里因为在修改了R2的IP地址时，它发送了无偿ARP包，R1通过检查发现其IP地址跟自己的一样，于是就会在控制台上报错，但是R2为什么又会报错呢？因为在R1发现地址有冲突时，也发送了表示IP地址冲突的无偿ARP包，如下：

        注意这是一个广播包，所以R2必然也能收到，查看它的包结构：

        根据数据包的内容，R2也知道发生了IP地址冲突，所以也就会在控制台上输出错误日志了。

4.在实践中分析ARP的实现过程：ARP代理

        如果ARP请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答这个请求，这个过程就称为ARP代理。这是非常精简和通俗易懂的解释，我们可以通过下面的实践来进行体会。

（1）网络环境搭建

        如下：

        在前面的基础上，R1增加如下配置：

        R2增加如下配置：

        R3则配置如下：

（2）抓取ARP包并分析ARP代理过程

        在R1和R2的链路上启动Wireshark，然后在R1上执行如下命令：

        即R1给R3发送数据，我们查看抓到的包：

        再分别查看详细的包结构：

• ARP请求包

        可以看到ARP请求包跟平常一样，并没有什么区别，即R1希望知道192.168.2.3的MAC地址。

• ARP响应包
  

        看起来普通的ARP响应包也没有什么区别，其实真的是没有什么区别，但不妨在R2上执行下面的命令，查看一下ARP缓存表：

        在这个ARP缓存表中，192.168.2.3对应的MAC地址是cc03.2327.0000，并不是上面看到的数据包结构中的cc02.1a18.0000！！！cc02.1a18.0000是192.168.1.2对应的MAC地址！！！可以分析如下：

        那么通过上面的实践过程和分析之后也就非常清楚什么是ARP代理了。即如果ARP请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答这个请求，这个过程就称为ARP代理。

        上面这个过程需要体会一下，这样一来的话，相信对计算机网络通信又会有了更深入的了解。

5.下一步要做什么

        首先有时间当然是自己也尝试把上面的实践完成一遍，好好分析一下ARP协议，其实ARP协议所涉及到的重要的内容，上面的实践过程基本上都已经全部给出，真的不能错过。

        如果觉得自己已经掌握了的话，可以尝试去了解一下ARP欺骗的原理，看看其实是不是很简单。

        请继续关注香飘叶子51cto博客的博客专题《在实践中深入理解常见网络协议》的系列文章，有问题可以留言提问，谢谢大家！