ARP地址解析协议原理

我不是女神ヾ 2023-03-13 03:36 149阅读 0赞

# 概述 #

网络层以上的**协议用IP地址来标识网络接口**，但以太数据帧传输时，**以物理地址来标识网络接口**。因此我们需要进行**IP地址与物理地址**之间的转化。

对于**IPv4来说，我们使用ARP地址解析协议**来完成IP地址与物理地址的转化（IPv6使用邻居发现协议进行IP地址与物理地址的转化，它包含在ICMPv6中）。

ARP协议提供了网络层地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之间的动态映射。**ARP协议 是地址解析的通用协议**

** 请求的例子：**

**![format_png][]**

**![format_png 1][]**

MAC 地址 与 IP地址

**Mac地址**由设备制造商定义/分配，**每一个硬件设备都有一个链路层主地址（MAC地址）**，保存在设备的永久内存中。设备的mac地址不会改变（现在可以进行mac地址伪装）   
　　**IP地址**由用户配置给网络接口， 网络接口的IP地址是可以发生变化的**（通过DHCP获取IP，变化速度比较快）**

# **获取目的端的MAC地址(在一个以太网中)步骤如下:**** ** #

1.发送ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，即广播(以太网源地址填全1)。ARP请求帧中包含了目的主机的IP地址。   
         2.目的主机收到了该ARP请求之后，会发送一个ARP应答，里面包含了目的主机的MAC地址。

# ARP协议工作原理 #

1.  每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 列表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的对应关系。
2.  主机（网络接口）**新加入网络时**（也可能只是mac地址发生变化，接口重启等）， 会发送免费ARP报文把**自己IP地址与Mac地址的映射关系广播给其他主机。**
3.  网络上的主机接收到免费ARP报文时，会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
4.  某个主机需要发送报文时，首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址，如果有，则直接发送数据，如果没有，就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP 地址，源主机 MAC 地址，目的主机的 IP 地址等。
5.  当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时：

**             （A）**首先检查数**据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址**，如果**不是，则忽略该数据包。**

**             （B****）**如果是，**则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中，如果已经存在，则覆盖。**

**             （****C） **然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中，告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。

6.源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包，表示 ARP 查询失败。

# ARP工作实例 #

下面我们就来谈一谈ARP地址解析协议是如何把目的地址的IP地址转化成MAC地址的。

1. 首先，主机A想要向主机B发送消息，但它不知道主机B的MAC地址，只知道主机B的IP地址。这时，主机A会在当前局域网下以广播的形式发送ARP请求数据报,表示主机A想知道主机B的MAC地址（注：广播时，以太网首部的目的地址为全f）。   
![（ARP请求数据报.png）][ARP_.png]

2. 由于是广播，所以在本局域网上的所有主机都会受到主机A发送的ARP数据报，然后所有主机会把以太网首部这个报头给去掉，向上面的网络层发送ARP数据报。在这里我们便可以回答上面的问题了，以太网首部和ARP数据报内的MAC地址都不能少，一个是在数据链路层使用的，一个是在网络层使用的，因为两个层都不能看到互相的数据。

3. 网络层首先会检查op字段，发现这时个ARP请求数据报，然后又会检查目的IP地址字段，检查完毕后，这时除了主机B外，在这个局域网内的其他主机都会把数据报丢弃，因为只有主机B的IP地址和目的IP地址是相同的。   
![（ARP应答数据报）][ARP]

# ARP缓存 #

ARP高速缓存（即ARP表）是 ARP地址解析协议能够高效运行的关键，** (如果有多次ARP响应时，以最后一次响应为准)**

ARP给IP地址和MAC地址中间做了动态映射，也就是说缓存了一个ARP表，将得到的IP地址和MAC地址对应起来，如果在表中没有查到IP地址对应的MAC地址，就会发广播去找。随着用户的使用，ARP表如果不做任何措施，就会变得越来越臃肿缓慢，就降低了网络传输数据的效率，所以ARP缓存中每一项被设置了生存时间，**一般是20分钟**，从被创建时开始计算，到时则清除，如果在计时期间又被使用了，计时会重置。

**我们可以通过`arp`命令查看arp表： **

![这里写图片描述][format_png 2]

ARP表中记录了一些IP地址与物理地址的映射，在arp表中，我们可以看到一个Flags字段，**该字段有C、M、P三种取值： **

C： 表明arp条目为通过ARP请求动态获取，（一般存活时间为20min）   
      M：表明arp条目为手动设置。   
      P： 表示Publish，表示该ARP条目可以用于恢复其他主机的ARP请求。（用于ARP proxy）

## 报文格式(ARP 帧) ##

##    ![这里写图片描述][format_png 3] ##

![format_png 4][]

![format_png 5][]

##    ![这里写图片描述][format_png 6] ##

**ARP帧以以太帧的形式存在，即ARP消息包含在以太帧中 ，因此包含以太帧的首部和尾部。（这里不考虑802.1p/q等特殊以太帧）。 **

![这里写图片描述][format_png 7]

**\* 帧类型\*：用来向收到数据报的主机表示该数据报的类型，常见类型如下： **  
0800:IP数据报；   
0806:ARP请求/应答数据报；   
8035:RAPP请求/应答；

**ARP Request or Reply Message 是ARP帧的核心部分。 **

前14字节是以太网首部帧格式 ,然后后面四个字段描述了本ARP帧涉及的硬件类型和协议类型。   
**Hard Type：**该字段占2个字节，指定硬件地址类型， 如值为1表示为以太网地址。   
**Prot Type ：**该字段占2个字节，指定协议地址类型，如0x0800 表示协议地址类型为IPv4地址。该值与以太帧首部的类型字段相同。   
**Hard Size：** 表示硬件地址的大小（单位：字节），如以太网地址为6。  
**Prot Size ：** 表示协议地址的大小（单位：字节）， 如IPv4地址大小为4。（硬件地址长度和协议地址长度，分别占1个字节，指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。）

**OP ： 表示ARP的消息类型。 **  
    1：ARP Request；   
    2：ARP Reply   
    3：RARP Request   
    4：RARP Reply

后面四个字段写入的是一些物理地址和协议地址。不一定全部有值。   
对于ARP Request 而言，我们不知道目的MAC地址是什么，因此 Target’s Hardware Address 全部填充为0.

## ARP帧的交互 ##

当主机接收到一个针对其协议地址的ARP Request时，它会回应ARP Reply. 该Reply消息内容为：对调sender 和 Target 地址字段，然后将Sender’s Hardware Address（即原来的Target’s Hardware Address ）修改为本机的Hardware Address。另外OP字段有1变为2.

**局域网中一台主机获取已知一台IP地址的主机的硬件地址过程：**

当主机A向本局域网上的主机B发送IP数据报时，先在ARP高速缓存中查找B主机IP所对应的硬件地址，要是找到了，就将此硬件地址写入到MAC帧首部的目的地址中，然后通过局域网发送；要是没有找到，那么主机A会运行ARP，将会按照以下步骤找出主机B的硬件地址。

①主机A想局域网中广播发送一个ARP请求分组，广播的主要内容是：“我的IP地址是IPA，我的硬件地址是MACA，我要知道IP地址为IPB的主机的硬件地址”。

此时局域网中的主机都会收到这样的一个数据帧。

![format_png 8][]

②链路层在接收到这个数据帧之后将有效载荷和报头分离之后，将有效载荷交付给ARP协议进行处理（因为MAC帧首部的帧类型为ARP协议）。

③在所有局域网中的主机获得链路层交付的有效载荷后，它们会对其进行处理，发现其中的**接收端IP地址**与自己的IP地址不同，则会将该数据报丢弃，不做处理。只有B主机会发现**接收端IP地址**与自己的IP地址相同，此时B主机会向A主机单播一个响应分组（因为通过A的广播，B知道了A的IP地址和硬件地址），“我的IP是IPB，我的硬件地址是MACB”。

![format_png 9][]

④在主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在ARP的告诉缓存中写入B主机的IP地址到硬件地址的映射。

# 免费ARP 和 地址冲突检测 #

*\* 免费ARP\** 指的是 主机发送一个ARP请求，求寻找自己的IP地址 。常用在系统引导时，对网络接口进行配置的时候。   
免费ARP有两个重要作用   
1. 检测网络上是否有其他主机的IP地址与本机相同，即地址冲突检测。   
2. 当主机向网络广播免费ARP时，其实她也将自己的IP地址与物理地址的映射关系广播给其他主机了。因此，如果本机的硬件地址发生了变化，其他主机也应该做出相应的更新。

ARP请求发送到了目的端之后，目的端填上了自己的硬件地址，然后把两个目的端地址和两个发送端地址交换，把op的值置为2，再把该ARP数据报发回去。

前面提到的获取目的端的MAC地址的步骤是在一个特殊的条件下完成了，即发送端和目的端都在同一个以太网中，那么当发送端和目的端不在同一个网络中呢。   
这种情况下有一个术语叫ARP代理。连接发送端和目的端网络的路由器就充当这样一个代理。举个简单的例子，当主机A发送ARP请求给主机B时，它们处于不同的网络，但是由路由器C相连，当C识别出主机B的IP地址属于它连接的一个主机，这时C就会欺骗主机A，让A误认C就是目的主机，然后C就将ARP数据报发给B，最后B再将ARP应答发回来。

还有最后一个ARP特性：免费ARP   
它是指主机发送ARP查找自己的IP地址。   
作用有两个：   
1.主机可以通过它来确定另一个主机有没有设置同样的IP地址。   
2.如果发送免费ARP的主机改变了硬件地址（换了网卡），那么这个分组就会更新其它主机高速缓存表中旧的硬件地址。

##   ARP报头定义如下：  ##

![format_png 10][]

**在学习到这些知识之后我们可以做这样一些实验，编写一个脚本抓取和自己电脑处于同一局域网的其他主机的MAC地址。**

原理很简单，一个C类的地址最多有254台主机，所以我们可以暴力的去ping每个IP，我们就可以获取到连接在本局域网中的其他主机的MAC地址。

**\[cpp\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  \#!/bin/bash  
2.    
3.  net='192.168.199.'  
4.  i=1  
5.    
6.  count=0  
7.  while \[ $i -le 254 \]  
8.  do  
9.      if \[ $count -eq 20 \];then  
10.         count=0  
11.         sleep 1  
12.     fi  
13.     ping -c1 $net$i &  
14.     let i++  
15.     let count++  
16. done  
17.   
18. wait  
19. echo '\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#'  
20. arp -a | grep -v 'incomplete'  
21. echo '\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#\#'

在我电脑上成功抓取到其他主机的硬件地址。

![format_png 11][]

注意：如果是使用VM虚拟机，要将网络适配器改为桥接模式

转载自[https://www.cnblogs.com/csguo/p/7542944.html][https_www.cnblogs.com_csguo_p_7542944.html]

[format_png]: /images/20230312/2e3202f5839c417b8268b917c46fec2a.png
[format_png 1]: /images/20230312/2d0be1cd1b224aa5a13c70c4b8ea5f06.png
[ARP_.png]: /images/20230312/088d9267c45748398ee21aae8b3f743d.png
[ARP]: /images/20230312/30253f7412a24c6e8e9c58056bfc54c5.png
[format_png 2]: /images/20230312/ec8e91d8064e45e2a363cb05a9a379b4.png
[format_png 3]: /images/20230312/c5274f71b35f4c49b9effe4adaa4d61b.png
[format_png 4]: /images/20230312/0fbbe3b4a3804685bd9c6b1229786b68.png
[format_png 5]: /images/20230312/3184ab1d81514875832ff3a80aa3c772.png
[format_png 6]: /images/20230312/8ee145568f7041ee84e5fa9f7fe4208c.png
[format_png 7]: /images/20230312/6e071a2f4de8450da35b1637ee674f5a.png
[format_png 8]: /images/20230312/1be3a57195044c00b63a4cd69995add0.png
[format_png 9]: /images/20230312/31e5bc98865848aaa5eaae9202744d0b.png
[format_png 10]: /images/20230312/81f38bce05d54c06abf1aa2df1fd165a.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/D_leo/article/details/73730642#
[format_png 11]: /images/20230312/8fce58428e8c40b2b7ac73caea8b91eb.png
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