理解ARP協議

在同一個網絡（無特別說明，均指以太網絡）中進行通信的主機，必須要擁有目標主機的MAC地址才能夠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？可以通過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協議可以動態地在三層IP地址和二層MAC地址之間建立一種映射關係。可以用如下示意圖來形象表示其作用：

可以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，由於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），所以把其劃分在數據鏈路層也是沒有問題的，這並沒有嚴格的定義。

我們下面將通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。

這裏會使用的環境如下：

網絡設備模擬器：GNS3

抓包軟件：Wireshark

1.網絡環境搭建

爲了簡潔起見，這裏不設置一個較大的網絡環境來滿足前面四種情況ARP包分析的需要，而是在分析不同的ARP情況時分別搭建較小的網絡環境，這樣可以使我們的分析更有針對性。

2.ARP包報文格式

如下：

注意我們關注的是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）。

因爲對於ARP包的分析，其實我們更關心的應該是ARP請求包、ARP響應包、無償ARP包或者ARP代理相關的知識，而後面的實踐也主要是分類地進行討論。所以下面先給出一個普通ARP包（請求包）的實際結構，然後再給出每一個字段的具體含義（參考了《TCP/IP詳解卷1：協議》的部分內容），先作一個基本的瞭解，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）

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，因爲本文都是在IP協議的基礎上進行分析的（即網絡層邏輯地址爲IP地址），所以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，因爲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，所以後面抓到的包中該字段的值都爲6，不再作特別說明
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，因爲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，所以後面抓到的包中該字段的值都爲4，不再作特別說明
操作字段	指出操作類型，對應的值如下： ARP請求：1 ARP響應：2 RARP請求：3 RARP響應：4 但因爲RARP現在已經很少使用了，所以本文不會討論
發送端以太網地址	佔48位準確上說是“發送端硬件地址”，但因爲本文只針對以太網進行討論，所以表述爲“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”，但因爲本文只針對的是以太網地址和IP地址的映射的討論，所以表述爲“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，如下：

在R1路由器上做如下配置：

R1#conft
R1(config)#intf0/0
R1(config-if)#noshu
R1(config-if)#ipadd192.168.1.1255.255.255.0
R1(config-if)#dowr

在R2路由器上做如下配置：

R2#conft
R2(config)#intf0/0
R2(config-if)#noshu
R2(config-if)#ipadd192.168.1.2255.255.255.0
R2(config-if)#dowr

然後在R1路由器上查看arp緩存表：

R1#showarp
ProtocolAddressAge(min)HardwareAddrTypeInterface
Internet192.168.1.1-cc01.127f.0000ARPAFastEthernet0/0

可以看到arp緩存表中並沒有192.168.1.2的MAC地址，所以如果待會R1發送數據給R2，必然會有ARP請求發生，所以這裏請確保R1中確實沒有192.168.1.2的MAC地址，如果有的話，建議重啓兩個路由器。（雖然可以在路由器上執行clear arp-cache來清除arp緩存表，但是清除過後又會馬上生成，所以這裏建議直接重啓）

（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，可以直接抓取通過兩個路由器之間鏈路的數據包）

在R1上執行如下命令：

Router#ping192.168.1.2

Typeescapesequencetoabort.
Sending5,100-byteICMPEchosto192.168.1.2,timeoutis2seconds:
.!!!!
Successrateis80percent(4/5),round-tripmin/avg/max=44/62/76ms

！表示數據發送成功，可以看到第一個是"."，則表示數據發送失敗，這是因爲，第一個包在發送時，R1中並沒有192.168.1.2的MAC地址，於是就去發送ARP請求來獲得其MAC地址，但是當獲得MAC地址之後，第一個包已經超時了（等待MAC地址超時），並沒有發送出去，可以看下面抓到的包：

可以看到已經有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），這裏我們主要分析的是ARP包。

ARP請求包

數據包結構如下：

字段分析如下：

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一樣，因爲針對的是以太網和IP地址

b.操作字段Opcode

可以看到Opcode的值爲request(1)，所以這是一個ARP請求包。

c.發送端以太網地址

我們是從R1向R2發送數據的。

從前面的命令執行結果：

R1#showarp
ProtocolAddressAge(min)HardwareAddrTypeInterface
Internet192.168.1.1-cc01.127f.0000ARPAFastEthernet0/0

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

可以看到這裏爲全0，在ARP請求包中，會把目的以太網地址字段的值置爲全0，因爲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，所以目的IP地址就是192.168.1.2，R2收到這個ARP請求包之後，如果看到這個字段的內容是自己的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，不過這裏需要注意一點是，查看這個ARP請求包的數據鏈路層的目的MAC地址：

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，以太網中的所有主機都能夠收到該ARP請求包，但是並不是所有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

數據包結構如下：

對比ARP請求包來分析，其實發現並沒有相關多少，只是有以下幾點區別：a.ARP響應包的操作字段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響應包中的所有地址字段的值都是已知的，這個很容易理解，不過需要注意的是，在這個時候，ARP響應包到底要發給誰，已經很明確了，所以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，只要知道了網絡通信的基本原理，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，都需要先發送一個ARP請求包，然後再通過接收一個ARP響應包來知道該IP地址所對應的MAC地址，因爲需要發送ARP請求包，我們可以認爲這是“有償”的，即要付出一些代價。

無償ARP

而所謂無償ARP，指的就是，我不需要發送一個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

但是在總結什麼時候對方會主動把一個ARP響應包發送過來之前，我們先實踐一下，網絡環境還是用上面的那個：

不過我們需要修改一下R2的IP地址，修改爲192.168.1.252（在這個過程中抓包軟件Wireshark要打開），如下：

R2>en
R2#conft
R2(config)#intf0/0
R2(config-if)#ipadd192.168.1.252255.255.255.0

（2）抓取並分析ARP請求包和ARP響應包

這樣做之後打開Wireshark軟件，會發現抓到下面這樣一個包：

可以看到Info一列，有個Gratutous的標識，中文意思就是“無償，免費”的意思，我們可以查看一下數據包的結構：

通過查看操作字段Opcode的值，其實可以發現，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。

另外需要注意的是，發送端IP地址和目的IP地址是一樣，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他主機（顯然我們這裏的網絡環境比較簡單，所以只有R1）接收到之後，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。因爲這個ARP數據包是未經請求的，即導致客戶端更新ARP緩存，所以會稱爲無償ARP。

在分析了無償ARP之後，給出下面的幾種情況，都會有無償ARP過程的發生：

a.更改了設備的IP地址

b.某些操作系統在啓動完成之後就會發送無償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？如下：

a.可以讓以太網中的主機及時地更新其ARP緩存表，這樣可以確保在數據發送時可以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，可以給R2重新配置一個IP地址，並且與R1的相同：

R2>en
R2#conft
R2(config)#intf0/0
R2(config-if)#ipadd192.168.1.1255.255.255.0

幾乎馬上就可以在R1和R2的控制檯上看到錯誤日誌的輸出：

R1>
*Mar100:54:39.007:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000
*Mar100:55:09.043:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000
*Mar100:55:39.739:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000
*Mar100:56:10.011:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000
*Mar100:56:40.715:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000
*Mar100:57:10.947:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc02.1a18.0000

R2(config-if)#
*Mar100:45:48.135:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:46:18.623:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:46:48.927:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:47:19.651:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:47:49.959:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:48:21.623:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000
*Mar100:48:51.919:%IP-4-DUPADDR:Duplicateaddress192.168.1.1onFastEthernet0/0,sourcedbycc01.127f.0000

這裏因爲在修改了R2的IP地址時，它發送了無償ARP包，R1通過檢查發現其IP地址跟自己的一樣，於是就會在控制檯上報錯，但是R2爲什麼又會報錯呢？因爲在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，如下：

注意這是一個廣播包，所以R2必然也能收到，查看它的包結構：

根據數據包的內容，R2也知道發生了IP地址衝突，所以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

如果ARP請求是從一個網絡的主機發往另一個網絡上的主機，那麼連接這兩個網絡的路由器就可以回答這個請求，這個過程就稱爲ARP代理。這是非常精簡和通俗易懂的解釋，我們可以通過下面的實踐來進行體會。

（1）網絡環境搭建

如下：

在前面的基礎上，R1增加如下配置：

R1>en
R1#conft
R1(config)#iproute0.0.0.00.0.0.0f0/0

R2增加如下配置：

R2>en
R2#conft
R2(config)#intf1/0
R2(config-if)#noshu
R2(config-if)#ipadd192.168.2.2255.255.255.0
R2(config-if)#dowr

R3則配置如下：

R3>en
R3#conft
R3(config)#intf0/0
R3(config-if)#noshu
R3(config-if)#ipadd192.168.2.3255.255.255.0
R3(config-if)#iproute0.0.0.00.0.0.0f0/0
R3(config-if)#dowr

（2）抓取ARP包並分析ARP代理過程

在R1和R2的鏈路上啓動Wireshark，然後在R1上執行如下命令：

R1#ping192.168.2.3

Typeescapesequencetoabort.
Sending5,100-byteICMPEchosto192.168.2.3,timeoutis2seconds:
...!!
Successrateis40percent(2/5),round-tripmin/avg/max=36/50/64ms

即R1給R3發送數據，我們查看抓到的包：

再分別查看詳細的包結構：

ARP請求包

可以看到ARP請求包跟平常一樣，並沒有什麼區別，即R1希望知道192.168.2.3的MAC地址。

ARP響應包

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#sharp
ProtocolAddressAge(min)HardwareAddrTypeInterface
Internet192.168.1.13cc01.127f.0000ARPAFastEthernet0/0
Internet192.168.2.2-cc02.1a18.0010ARPAFastEthernet1/0
Internet192.168.2.33cc03.2327.0000ARPAFastEthernet1/0
Internet192.168.1.2-cc02.1a18.0000ARPAFastEthernet0/0

在這個ARP緩存表中，192.168.2.3對應的MAC地址是cc03.2327.0000，並不是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！！！可以分析如下：

R1想要知道192.168.2.3的MAC地址，於是發送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並不是自己，但是它可以到達192.168.2.3所在的網絡，即192.168.2.0/24這個網絡，於是它就向R1發回了一個ARP響應包，告訴R1，192.168.2.3的MAC地址是自己（即配置了192.168.1.2的接口的MAC地址）。雖然這是一種“謊言”，但由於這樣做確實是可以幫R1把數據發送到R3，所以有時候我們也把ARP代理稱作“善意的謊言”。

那麼通過上面的實踐過程和分析之後也就非常清楚什麼是ARP代理了。即如果ARP請求是從一個網絡的主機發往另一個網絡上的主機，那麼連接這兩個網絡的路由器就可以回答這個請求，這個過程就稱爲ARP代理。

上面這個過程需要體會一下，這樣一來的話，相信對計算機網絡通信又會有了更深入的瞭解。

5.下一步要做什麼

首先有時間當然是自己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全部給出，真的不能錯過。

如果覺得自己已經掌握了的話，可以嘗試去了解一下ARP欺騙的原理，看看其實是不是很簡單。

原文鏈接：https://www.2cto.com/net/201604/498575.html

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