TCP/IP协议——ARP详解

时间:2022-12-09 19:17:27

本文主要讲述了ARP的作用、ARP分组格式、ARP高速缓存、免费ARP和代理ARP。

1.学习ARP前要了解的内容

建立TCP连接与ARP的关系

应用接受用户提交的数据,触发TCP建立连接,TCP的第一个SYN报文通过connect函数到达IP层,IP层通过查询路由表:

  如果目的IP和自己在同一个网段:

  当IP层的ARP高速缓存表中存在目的IP对应的MAC地址时,则调用网络接口send函数(参数为IP Packet和目的MAC))将数据提交给网络接口,网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装,并发送出去;

  当IP层的ARP高速缓存表中不存在目的IP对应的MAC地址时,则IP层将TCP的SYN缓存下来,发送ARP广播请求目的IP的MAC,收到ARP应答之后,将应答之中的<IP地址,对应的MAC>对缓存在本地ARP高速缓存表中,然后完成TCP SYN的IP封装,调用网络接口send函数(参数为IP Packet和目的MAC))将数据提交给网络接口,网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装,并发送出去;。

  如果目的IP地址和自己不在同一个网段,就需要将包发送给默认网关,这需要知道默认网关的MAC地址:

  当IP层的ARP高速缓存表中存在默认网关对应的MAC地址时,则调用网络接口send函数(参数为IP Packet和默认网关的MAC)将数据提交给网络接口,网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC

  当IP层的ARP高速缓存表中不存在默认网关对应的MAC地址时,则IP层将TCP的SYN缓存下来,发送ARP广播请求默认网关的MAC,收到ARP应答之后,将应答之中的<默认网关地址,对应的MAC>对缓存在本地ARP高速缓存表中,然后完成TCP SYN的IP封装,调用网络接口send函数(参数为IP Packet和默认网关的MAC)将数据提交给网络接口,网络接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封装,并发送出去。

ARP的位置

  OSI模型有七层,TCP在第4层传输层,IP在第3层网络层,而ARP在第2层数据链路层。高层对低层是有强依赖的,所以TCP的建立前要进行ARP的请求和应答。

  ARP高速缓存表在IP层使用。如果每次建立TCP连接都发送ARP请求,会降低效率,因此在主机、交换机、路由器上都会有ARP缓存表。建立TCP连接时先查询ARP缓存表,如果有效,直接读取ARP表项的内容进行第二层数据包的发送;只有表失效时才进行ARP请求和应答进行MAC地址的获取,以建立TCP连接。

ARP的作用

  要了解ARP的作用,首先要分清两个“地址”:

  (1)TCP/IP的32bit IP地址。仅知道主机的IP地址不能让内核发送数据帧给主机。

  (2)网络接口的硬件地址,它是一个48bit的值,用来标识不同的以太网或令牌环网络接口。在硬件层次上,进行数据交换必须有正确的接口地址,内核必须知道目的端的硬件地址才能发送数据。

  简言之,就是在以太网中,一台主机要把数据帧发送到同一局域网上的另一台主机时,设备驱动程序必须知道以太网地址才能发送数据。而我们只知道IP地址,这时就需要采用ARP协议将IP地址映射为以太网地址。

  要注意一点,一般认为ARP协议只使适用于局域网。

2.ARP分组格式

  ARP分组的格式如下图:

TCP/IP协议——ARP详解

  先要清楚,一般说以太网地址就是指MAC地址

  字段1是ARP请求的目的以太网地址,全1时代表广播地址。

  字段2是发送ARP请求的以太网地址。

  字段3以太网帧类型表示的是后面的数据类型,ARP请求和ARP应答这个值为0x0806。

  字段4表示硬件地址的类型,硬件地址不只以太网一种,是以太网类型时此值为1。

  字段5表示要映射的协议地址的类型,要对IPv4地址进行映射,此值为0x0800。

  字段6和7表示硬件地址长度和协议地址长度,MAC地址占6字节,IP地址占4字节。

  字段8是操作类型字段,值为1,表示进行ARP请求;值为2,表示进行ARP应答;值为3,表示进行RARP请求;值为4,表示进行RARP应答。

  字段9是发送端ARP请求或应答的硬件地址,这里是以太网地址,和字段2相同。

  字段10是发送ARP请求或应答的IP地址。

  字段11和12是目的端的硬件地址和协议地址。

下面是抓取的ARP数据包,可以对照上面的说明进行理解。

图中红框圈起来的是一对ARP请求和ARP应答。

TCP/IP协议——ARP详解

下面两张图分别是ARP请求和相应的ARP应答的分组格式截图。

  ARP请求分组中,字段11目的MAC地址未知,用全0进行填充。

TCP/IP协议——ARP详解

ARP应答分组中,将ARP请求中的源和目的地址进行交换,此外,变化的还有字段8 Opcode。其余字段内容不会发生变化。

TCP/IP协议——ARP详解

那么我们是如何区分ARP请求和ARP应答分组的呢?

  分组中的地址字段和其他相同的字段无法作为区分依据,这时Opcode字段就发挥了作用,根据Opcode的值可以确定是请求还是应答,是ARP还是RARP。

3.ARP高速缓存

定义

  ARP缓存是一个缓冲区,用来储存IP地址和MAC地址,本质就是<IP地址,MAC地址>的对应表。表中一个条目记录了网络上一个主机的IP地址和其对应的MAC地址。

  每一个以太网或令牌环网络适配器都有自己单独的表。

  当地址解析协议被询问一个已知IP地址节点的MAC地址时,先在ARP缓存中查看,若存在,就直接返回与之对应的MAC地址,若不存在,才发送ARP请求向局域网查询。

ARP缓存表项的生存时间TTL

  ARP缓存包含动态和静态项目:

  动态项目随时间推移自动添加和删除,每个动态ARP缓存项都有都设置了TTL(生存时间),TTL为0时此项目就从表中删除,Windows下TTL一般不超过10分钟。

  静态 ARP 缓存条目是永久性的,可以使用 TCP/IP 工具手动添加和删除。静态 ARP 缓存条目用来禁止节点发送对常用的本地IPv4地址(例如路由器和服务器的 IPv4 地址)的ARP请求。

ARP高速缓存的使用

  当主机发送一个ARP请求时,先查看ARP高速缓存表,如果存在对应条目,则直接返回MAC地址,否则向局域网发送ARP请求广播。

ARP高速缓存的优缺点

  优点:从ARP高速缓存的使用中可以看到,ARP高速缓存可以减小广播量,进而减小网络通信量,提高计算机之间的通信效率。

  缺点:造成安全隐患(参考下面免费ARP的作用)。

4.免费ARP

定义

  免费ARP指主机发送ARP查找自己的IP地址,通常发生在系统引导期间进行接口配置时。

  与标准ARP的区别就是免费ARP分组的目的IP地址字段封装的是自己的IP地址,即向所在网络请求自己的MAC地址。

作用 

  免费ARP的作用有:
  1) 一个主机可以通过它来确定另一个主机是否设置了相同的 IP地址。

   正常情况下发送免费ARP请求不会收到ARP应答,如果收到了一个ARP应答,则说明网络中存在与本机相同的IP地址的主机,发生了地址冲突。

  2)更新其他主机高速缓存中旧的硬件地址进行。

   如果发送免费ARP的主机正好改变了硬件地址,如更换了接口卡。

   其他主机接收到这个ARP请求的时候,发现自己的ARP高速缓存表中存在对应的IP地址,但是MAC地址不匹配,那么就需要利用接收的ARP请求来更新本地的ARP高速缓存表表项。

  3)网关利用免费ARP防止ARP攻击

  有些网关设备在一定的时间间隔内向网络主动发送免费ARP报文,让网络内的其他主机更新ARP表项中的网关MAC地址信息,以达到防止或缓解ARP攻击的效果。

  4)利用免费ARP进行ARP攻击

  ARP协议并不只在发送了ARP请求才接收ARP应答,计算机只要接收到ARP应答数据包,就会使用应答中的IP和MAC地址对本地的ARP缓存进行更新。

  主机可以构造虚假的免费ARP应答,将ARP的源MAC地址设为错误的MAC地址,并把这个虚假的免费ARP应答发送到网络中,那么所有接收到这个免费ARP应答的主机都会更新本地ARP表项中相应IP地址对应的MAC地址。更新成功后,这些主机的数据报文就会被转发到错误的MAC地址,从而实现了ARP欺骗的攻击。

5.代理ARP

定义

  代理ARP就是通过使用一个主机(通常为router),来作为指定的设备使用自己的 MAC 地址来对另一设备的ARP请求作出应答。

为什么需要代理ARP?

  先要了解,路由器的重要功能之一就是把局域网的广播包限制在该网内,阻止其扩散,否则会造成网络风暴。

  ARP请求是个广播包,它询问的对象如果在同一个局域网内,就会收到应答。但是如果询问的对象不在同一个局域网该如何处理?路由器就提供的代理ARP为这个问题提供了解决方案。

工作过程

  两台主机A和B处于同一网段但不同的广播段时,主机A发送ARP请求主机B的MAC地址时,因为路由器不转发广播包的原因,ARP请求只能到达路由器。如果路由器启用了代理ARP功能,并知道主机B属于它连接的网络,那么路由器就用自己接口的MAC地址代替主机B的MAC地址来对主机A进行ARP应答。主机A接收ARP应答,但并不知道代理ARP的存在。

代理ARP的优缺点

  优点:代理ARP能在不影响路由表的情况下添加一个新的Router,使子网对该主机变得透明化。一般代理ARP应该使用在主机没有配置默认网关或没有任何路由策略的网络上。

  缺点:从工作工程可以看到,这其实是一种ARP欺骗。而且,通过两个物理网络之间的路由器的代理ARP功能其实互相隐藏了物理网络,这导致无法对网络拓扑进行网络概括。此外,代理ARP增加了使用它的那段网络的ARP流量,主机需要更大的ARP缓存空间,也不会为不使用ARP进行地址解析的网络工作。

TCP/IP协议——ARP详解