在實踐中深刻理解ARP協議

時間  2020-08-05
標籤 實踐中 深刻 理解 arp 協議 简体版
原文   原文鏈接

0.說明緩存


    本文爲我我的計劃撰寫的博客專題《在實踐中深刻理解常見網絡協議》中關於ARP協議的一篇，bash

有興趣的朋友能夠繼續關注個人博客，我將會陸續撰寫各類協議的實踐分析文章。網絡

        在同一個網絡（無特別說明，均指以太網絡）中進行通訊的主機，必需要擁有目標主機的MAC地址纔可以正確地將數據發送給目標主機，那麼如何知道目標主機的MAC地址呢？能夠經過ARP協議。ARP協議就是用來獲取目標IP地址所對應的MAC地址的，也就是說，ARP協議能夠動態地在三層IP地址和二層MAC地址之間創建一種映射關係。能夠用以下示意圖來形象表示其做用：
ide

wKioL1cHdYrzdFoQAABCVOaI8VA489.png

        能夠看到上面的圖示是把ARP協議劃分到網絡層，也既是認爲它是一個網絡層的協議，這是出於它爲網絡層的IP協議提供服務而考慮的。但實際上，因爲ARP協議用以解析出IP地址（邏輯地址）所對應數據鏈路層中的地址（物理地址/硬件地址），因此把其劃分在數據鏈路層也是沒有問題的，這並無嚴格的定義。學習

        咱們下面將經過具體的實踐過程來分析四種常見的ARP包：ARP請求包、ARP響應包、無償ARP包與IP地址衝突檢測，同時也會分析一下ARP代理的發生過程。
ui

        這裏會使用的環境以下：spa

  • 網絡設備模擬器：GNS3操作系統

  • 抓包軟件：Wireshark計算機網絡



1.網絡環境搭建3d


        爲了簡潔起見，這裏不設置一個較大的網絡環境來知足前面四種狀況ARP包分析的須要，而是在分析不一樣的ARP狀況時分別搭建較小的網絡環境，這樣可使咱們的分析更有針對性。



2.ARP包報文格式


        以下：

wKiom1cGFGHRkO7MAAB5efhRsBY432.jpg

        注意咱們關注的是28字節的ARP包，只不過上面的圖還包含了以太網首部字段信息（顯然以太網首部的幀類型爲ARP，在分析IP協議時提到過，這是一個數據分用的概念）。

        由於對於ARP包的分析，其實咱們更關心的應該是ARP請求包、ARP響應包、無償ARP包或者ARP代理相關的知識，然後面的實踐也主要是分類地進行討論。因此下面先給出一個普通ARP包（請求包）的實際結構，而後再給出每個字段的具體含義（參考了《TCP/IP詳解 卷1：協議》的部份內容），先做一個基本的瞭解，最後再詳細分析這些包產生的過程：

  • 一個普通ARP包（請求包的實際結構）

wKioL1cHfA6QwK28AACIULqKkL8900.png

  • ARP包各字段具體含義（對比上面實際抓到的包）

字段 含義
硬件類型

佔16位

表示硬件地址的類型，值爲1即表示以太網地址，也就是MAC地址
協議類型

點16位

表示要映射的協議地址類型，值爲0x0800即表示IP地址，由於本文都是在IP協議的基礎上進行分析的（即網絡層邏輯地址爲IP地址），因此所抓到的包的該字段類型都爲0x0800
硬件地址長度

佔8位

指出硬件地址的長度，單位爲字節，由於本文針對的是以太網，而以太網地址爲MAC地址，佔48位，即6字節，因此後面抓到的包中該字段的值都爲6，再也不做特別說明
協議地址長度

佔8位

指出三層邏輯地址的長度，單位爲字節，由於本文針對的是以太網地址和IP地址的映射，而IP地址佔32位，即6字節，因此後面抓到的包中該字段的值都爲4，再也不做特別說明
操做字段

指出操做類型，對應的值以下：

  • ARP請求：1

  • ARP響應：2

  • RARP請求：3

  • RARP響應：4

但由於RARP如今已經不多使用了，因此本文不會討論
發送端以太網地址

佔48位

準確上說是「發送端硬件地址」，但由於本文只針對以太網進行討論，因此表述爲「發送端以太網地址」
發送端IP地址

佔32位

準確上說是「發送端網絡層邏輯地址」，但由於本文只針對的是以太網地址和IP地址的映射的討論，因此表述爲「發送端IP地址」
目的以太網地址 佔48位
目的IP地址 佔32位



3.在實踐中分析ARP的實現過程：ARP請求、ARP響應


（1）網絡環境搭建

        本節主要是抓取ARP請求包和ARP響應包來分析ARP請求與響應的一個詳細過程，以及對應ARP包中相關字段的含義，這個實踐的網絡環境比較簡單，以下：

wKioL1cH9t3A3IpcAAAYFDS8dzg450.png

        在R1路由器上作以下配置：

R1#conf t
R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#no shu
R1(config-if)#ip add 192.168.1.1 255.255.255.0
R1(config-if)#do wr

        在R2路由器上作以下配置：

R2#conf t
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#no shu
R2(config-if)#ip add 192.168.1.2 255.255.255.0
R2(config-if)#do wr

        而後在R1路由器上查看arp緩存表：

R1#show arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.1.1             -   cc01.127f.0000  ARPA   FastEthernet0/0

        能夠看到arp緩存表中並無192.168.1.2的MAC地址，因此若是待會R1發送數據給R2，必然會有ARP請求發生，因此這裏請確保R1中確實沒有192.168.1.2的MAC地址，若是有的話，建議重啓兩個路由器。（雖然能夠在路由器上執行clear arp-cache來清除arp緩存表，可是清除事後又會立刻生成，因此這裏建議直接重啓）


（2）抓取並分析ARP請求包和ARP響應包

        首先在R1和R2的鏈路上啓動Wireshark，監測R1的接口。（這是GNS3的功能，能夠直接抓取經過兩個路由器之間鏈路的數據包）

        在R1上執行以下命令：

Router#ping 192.168.1.2

Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.1.2, timeout is 2 seconds:
.!!!!
Success rate is 80 percent (4/5), round-trip min/avg/max = 44/62/76 ms

        ！表示數據發送成功，能夠看到第一個是"."，則表示數據發送失敗，這是由於，第一個包在發送時，R1中並無192.168.1.2的MAC地址，因而就去發送ARP請求來得到其MAC地址，可是當得到MAC地址以後，第一個包已經超時了（等待MAC地址超時），並無發送出去，能夠看下面抓到的包：

wKioL1cH-e3xXuGhAADU7E7LgVU534.png        

        能夠看到已經有2個ARP包（1個請求和1回答）和8個ICMP包（4個請求和4個回答），這裏咱們主要分析的是ARP包。

  • ARP請求包

        數據包結構以下：

wKiom1cH-kLC3NwiAABfmtjo-0M195.png

        字段分析以下：

a.硬件類型、協議類型、硬件地址長度、協議地址長度

        這幾個字段的內容跟前面討論的同樣，由於針對的是以太網和IP地址

b.操做字段Opcode

        能夠看到Opcode的值爲request(1)，因此這是一個ARP請求包。

c.發送端以太網地址

        咱們是從R1向R2發送數據的。

        從前面的命令執行結果：

R1#show arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.1.1             -   cc01.127f.0000  ARPA   FastEthernet0/0

        這確實是R1的MAC地址（配置了192.168.1.1 IP地址的接口的MAC地址）。

d.發送端IP地址

        發送端也確實是192.168.1.1，也就是R1。

e.目的以太網地址

        能夠看到這裏爲全0，在ARP請求包中，會把目的以太網地址字段的值置爲全0，由於此時並不知道目的以太網地址是什麼（也就是不知道192.168.1.2的MAC地址是多少）。

f.目的IP地址

        數據包是從R1發送給R2的，因此目的IP地址就是192.168.1.2，R2收到這個ARP請求包以後，若是看到這個字段的內容是本身的IP地址，就會回覆這個ARP包，也就是會發送一個ARP響應包。


        其實字段內容並不難理解，不過這裏須要注意一點是，查看這個ARP請求包的數據鏈路層的目的MAC地址：

wKioL1cH_3eSuNofAABuEHLgQXk437.png

        會發現其是一個廣播地址，這也就意味着，發送一個ARP請求包，以太網中的全部主機都可以收到該ARP請求包，可是並非全部的主機都會回覆這個ARP請求包，只有當接收者的IP地址與ARP請求包中的Target IP address中標識的目的IP地址一致時纔會進行回覆。


  • ARP響應包

        數據包結構以下：

wKiom1cIAIjD5WhMAABfYHDqc2M769.png

        對比ARP請求包來分析，其實發現並無相關多少，只是有如下幾點區別：
a.ARP響應包的操做字段Opcode值爲reply(2)

b.ARP響應包的二層目的MAC地址爲ARP請求包發送者的MAC地址

        也就是說，ARP請求包是以廣播的形式發送的，但ARP則是以單播的形式發送的，那麼發給誰呢？ARP請求包是誰發送的，ARP響應包就發給誰，對應的二層目的MAC地址就是ARP請求包發送者的MAC地址

c.發送端以太網地址、發送端IP地址、目的以太網地址、目的IP地址

        跟ARP請求包的內容相反，只不過ARP響應包中的全部地址字段的值都是已知的，這個很容易理解，不過須要注意的是，在這個時候，ARP響應包到底要發給誰，已經很明確了，因此ARP響應包是一個單播包。


        正如上面看到的，理解常規的ARP請求包和ARP響應包的過程並不複雜，只要知道了網絡通訊的基本原理，各個字段的值也就很容易理解了。



4.在實踐中分析ARP的實現過程：無償ARP與IP地址衝突檢測


  • 有償ARP

        前面在獲取某個IP地址對應的MAC地址是，都須要先發送一個ARP請求包，而後再經過接收一個ARP響應包來知道該IP地址所對應的MAC地址，由於須要發送ARP請求包，咱們能夠認爲這是「有償」的，即要付出一些代價。

  • 無償ARP

        而所謂無償ARP，指的就是，我不須要發送一個ARP請求包，對方就會「無償」地把一個ARP響應包發給我（其實也主是主動發送過來），以此來告訴我它的MAC地址。

（1）網絡環境搭建

        可是在總結何時對方會主動把一個ARP響應包發送過來以前，咱們先實踐一下，網絡環境仍是用上面的那個：

wKioL1cH9t3A3IpcAAAYFDS8dzg450.png

        不過咱們須要修改一下R2的IP地址，修改成192.168.1.252（在這個過程當中抓包軟件Wireshark要打開），以下：

R2>en
R2#conf t
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip add 192.168.1.252 255.255.255.0


（2）抓取並分析ARP請求包和ARP響應包

        這樣作以後打開Wireshark軟件，會發現抓到下面這樣一個包：

wKioL1cIBo6T_ObPAAAgd1QXSaA867.png        能夠看到Info一列，有個Gratutous的標識，中文意思就是「無償，免費」的意思，咱們能夠查看一下數據包的結構：

wKiom1cIBo7w_G8_AABrB1Dg3DE060.png

        經過查看操做字段Opcode的值，其實能夠發現，無償ARP其實也是一個ARP響應包（不過普通的ARP響應包是以單播的形式發送的，而無償ARP是以廣播的形式發送的），只不過這個ARP響應包比較特別，它是主動發送的，即它是gratuitous，無償的。

        另外須要注意的是，發送端IP地址和目的IP地址是同樣，這正是無償ARP有別於普通ARP響應包的地方，當這個數據包被網絡中的其餘主機（顯然咱們這裏的網絡環境比較簡單，因此只有R1）接收到以後，它會讓這些主機使用新的IP和MAC地址關係更新它們的ARP緩存表。由於這個ARP數據包是未經請求的，即致使客戶端更新ARP緩存，因此會稱爲無償ARP。

        在分析了無償ARP以後，給出下面的幾種狀況，都會有無償ARP過程的發生：

a.更改了設備的IP地址

b.某些操做系統在啓動完成以後就會發送無償ARP（Windows和Linux都會）        


（3）IP地址衝突檢測

        再分析一下，無償ARP有什麼好處呢？以下：

a.可讓以太網中的主機及時地更新其ARP緩存表，這樣能夠確保在數據發送時能夠準確地封閉正確的地址信息

b.檢測IP地址是否有衝突

        關於這一點，能夠給R2從新配置一個IP地址，而且與R1的相同：

R2>en
R2#conf t
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip add 192.168.1.1 255.255.255.0

        幾乎立刻就能夠在R1和R2的控制檯上看到錯誤日誌的輸出：

R1>
*Mar  1 00:54:39.007: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000
*Mar  1 00:55:09.043: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000
*Mar  1 00:55:39.739: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000
*Mar  1 00:56:10.011: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000
*Mar  1 00:56:40.715: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000
*Mar  1 00:57:10.947: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc02.1a18.0000

R2(config-if)#
*Mar  1 00:45:48.135: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:46:18.623: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:46:48.927: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:47:19.651: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:47:49.959: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:48:21.623: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000
*Mar  1 00:48:51.919: %IP-4-DUPADDR: Duplicate address 192.168.1.1 on FastEthernet0/0, sourced by cc01.127f.0000

        這裏由於在修改了R2的IP地址時，它發送了無償ARP包，R1經過檢查發現其IP地址跟本身的同樣，因而就會在控制檯上報錯，可是R2爲何又會報錯呢？由於在R1發現地址有衝突時，也發送了表示IP地址衝突的無償ARP包，以下：

wKiom1cIDHXA6ONRAAAiRKTdoDQ454.png        注意這是一個廣播包，因此R2必然也能收到，查看它的包結構：

wKioL1cIDbfy14eCAACn4FWd_YA806.png

        根據數據包的內容，R2也知道發生了IP地址衝突，因此也就會在控制檯上輸出錯誤日誌了。



4.在實踐中分析ARP的實現過程：ARP代理


        若是ARP請求是從一個網絡的主機發往另外一個網絡上的主機，那麼鏈接這兩個網絡的路由器就能夠回答這個請求，這個過程就稱爲ARP代理。這是很是精簡和通俗易懂的解釋，咱們能夠經過下面的實踐來進行體會。


（1）網絡環境搭建

        以下：

wKiom1cID2miLu1zAAA2DvoUiiU886.png

        在前面的基礎上，R1增長以下配置：

R1>en
R1#conf t
R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 f0/0

        R2增長以下配置：

R2>en
R2#conf t
R2(config)#int f1/0
R2(config-if)#no shu
R2(config-if)#ip add 192.168.2.2 255.255.255.0
R2(config-if)#do wr

        R3則配置以下：

R3>en
R3#conf t
R3(config)#int f0/0
R3(config-if)#no shu
R3(config-if)#ip add 192.168.2.3 255.255.255.0
R3(config-if)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 f0/0
R3(config-if)#do wr


（2）抓取ARP包並分析ARP代理過程

        在R1和R2的鏈路上啓動Wireshark，而後在R1上執行以下命令：

R1#ping 192.168.2.3

Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.2.3, timeout is 2 seconds:
...!!
Success rate is 40 percent (2/5), round-trip min/avg/max = 36/50/64 ms

        即R1給R3發送數據，咱們查看抓到的包：

wKioL1cIFBqD1BVYAAAsVzmbz4c606.png        再分別查看詳細的包結構：

  • ARP請求包

wKiom1cIE7KhNZgoAABfyXIa4cY502.png

        能夠看到ARP請求包跟日常同樣，並無什麼區別，即R1但願知道192.168.2.3的MAC地址。

  • ARP響應包

wKioL1cIFLjAqjNgAABfrw-cHVk558.png

        看起來普通的ARP響應包也沒有什麼區別，其實真的是沒有什麼區別，但不妨在R2上執行下面的命令，查看一下ARP緩存表：

R2#sh arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.1.1             3   cc01.127f.0000  ARPA   FastEthernet0/0
Internet  192.168.2.2             -   cc02.1a18.0010  ARPA   FastEthernet1/0
Internet  192.168.2.3             3   cc03.2327.0000  ARPA   FastEthernet1/0
Internet  192.168.1.2             -   cc02.1a18.0000  ARPA   FastEthernet0/0

        在這個ARP緩存表中，192.168.2.3對應的MAC地址是cc03.2327.0000，並非上面看到的數據包結構中的cc02.1a18.0000！！！cc02.1a18.0000是192.168.1.2對應的MAC地址！！！能夠分析以下：

拓展1：

R1想要知道192.168.2.3的MAC地址，因而發送ARP請求包，但很顯然，192.168.2.3跟192.168.1.1並不在同一個網絡中；當192.168.1.2接口接收到這個ARP請求包時，R2發現雖然192.168.2.3並非本身，可是它能夠到達192.168.2.3所在的網絡，即192.168.2.0/24這個網絡，因而它就向R1發回了一個ARP響應包，告訴R1，192.168.2.3的MAC地址是本身（即配置了192.168.1.2的接口的MAC地址）。雖然這是一種「謊話」，但因爲這樣作確實是能夠幫R1把數據發送到R3，因此有時候咱們也把ARP代理稱做「善意的謊話」。

拓展2：

這也意味着，即便R1知道192.168.2.3跟本身在不一樣的網絡，它也不會直接就說去請求網關的MAC地址（雖然最終數據確定是先發往網關的），而是還會像日常請求同網段IP地址的MAC地址同樣，去發送一個普通的ARP請求，這點尤爲須要注意。

拓展3：

咱們說，若是數據是發往不一樣的網絡的，那麼應該先把數據發給網關，那麼上面爲何不是這樣的呢？那是由於，我在配置R1的默認路由時，是以出接口的方式進行配置的，那也就意味着，並無所謂的網關，即不知道網關是誰，既然若是，R1又怎麼可以直接去請求網關的MAC地址呢？對它來講，根本就沒有網關！可是又由於配置了默認路由，去往未知網絡的數據都直接從1.1的接口發送出去，因此它是直接去請求目的IP地址的MAC地址，而後纔有了後來的ARP代理過程的發生。固然，若是配置的是網關（在思科路由器上的配置是：ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 下一跳即網關地址），則會按照正常的流程走，即沒有代理ARP過程的發生。

這一點對於數據轉發的深刻理解是很是重要的，固然，若是以爲難以理解的，也不用太擔憂，這個須要必定時間的積累，同時本身也要注重思考，在實際的學習過程中不能囫圇吞棗，要想有深刻的理解，就必需要作深刻的分析。

        那麼經過上面的實踐過程和分析以後也就很是清楚什麼是ARP代理了。即若是ARP請求是從一個網絡的主機發往另外一個網絡上的主機，那麼鏈接這兩個網絡的路由器就能夠回答這個請求，這個過程就稱爲ARP代理。

        上面這個過程須要體會一下，這樣一來的話，相信對計算機網絡通訊又會有了更深刻的瞭解。



5.下一步要作什麼


        首先有時間固然是本身也嘗試把上面的實踐完成一遍，好好分析一下ARP協議，其實ARP協議所涉及到的重要的內容，上面的實踐過程基本上都已經所有給出，真的不能錯過。

        若是以爲本身已經掌握了的話，能夠嘗試去了解一下ARP欺騙的原理，看看實際上是不是很簡單。

        請繼續關注香飄葉子51cto博客的博客專題《在實踐中深刻理解常見網絡協議》的系列文章，有問題能夠留言提問，謝謝你們！

相關文章
相關標籤/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公眾號
   歡迎關注本站公眾號,獲取更多信息
聯繫我們 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程