ARP协议解释

前言：ARP协议的作用：1.什么是ARP?ARP(AddressResolutionProtocol)是个地址解析协议。最直白的说法是：在IP以太网中，当一个上层协议要发包时，有了该节点的IP地址，ARP就能提供该节点的MAC地址。2为什么要有ARP？OSI模式把网络工作分为七层，彼此不直接打交道，只通过接口(layreinterface).IP地址在第三层,MAC地址在第二层。协议在发生数据包时，首先要封装第三层（IP地址）和第二层（MAC地址）的报头,但协议只知道目的节点的IP地址，不知道其物理地址，又不能跨第二、三层，所以得用ARP的服务。详细说明：Ø在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用Ø当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时，是根据48位的以太网地址来确定目的接口的，设备驱动程序从不检查IP数据报中的目的IP地址。ARP（地址解析）模块的功能为这两种不同的地址形式提供映射：32位的IP地址和48位的以太网地址一.ARP报文各字段含义：ARP报文字段总共有28个字节1.硬件类型：占2个字节，表明ARP实现在何种类型的网络上。Ø值为1：表示以太网。2.协议类型：占2个字节表示要映射的协议地址类型。ØIP:08003.硬件地址长度：占1个字节，表示MAC地址长度，其值为6个字节。4.协议地址长度：占1个字节，表示IP地址长度，此处值4个字节5.操作类型：占2个字节，表示ARP数据包类型。Ø值为1表示ARP请求。Ø值2表示ARP应答。6.源MAC地址：占6个字节，表示发送端MAC地址7.源IP地址:占4个字节，表示发送端IP地址8.目的以太网地址：占6个字节，表示目标设备的MAC物理地址9.目的IP地址：占4个字节，表示目标设备的IP地址.注意：在ARP操作中，有效数据的长度为28个字节，不足以太网的最小长度46字节长度，需要填充字节，填充字节最小长度为18个字节二.ARP请求分组或应答分组以太网首部总共有14字节数据，arp请求报文总共有28字节。所以一个ARP请求分组或应答分组总共有46字节数据。而以太网数据包的最小数据为60字节。所以，要对其进行填充。这里有一些重复信息1.在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的MAC物理地址。2.在发送ARP请求时，以太网帧头中的目的MAC物理地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF,而在ARP帧中的目的MAC处此时为空。3.对一个ARP请求来说，除ARP中目的端MAC硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本地的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2，最后发送出去。三.ARP协议工作过程：1.原理：(ARP协议只使用于局域网中)1在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。2在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。3ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。4点对点的连接是不需要ARP协议的2.工作过程：1当主机A向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在自己的ARP缓冲表中查看有无主机B的IP地址。2如果有，就可以查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过以太网将数据包发送到目的主机中。3如果查不到主机B的IP地址的表项。可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电。其高速缓冲表还是空的。在这中情况下，主机A就自动运行ARP。(1)ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组。ARP请求分组的主要内容是表明：我的IP地址是192.168.0.2，我的硬件地址是00-00-C0-15-AD-18.我想知道IP地址为192.168.0.4的主机的硬件地址。(2)在本局域网上的所有主机上运行的ARP进行都收到此ARP请求分组。(3)主机B在ARP请求分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送ARP响应分组，并写入自己的硬件地址。其余的所有主机都不理睬这个ARP请求分组。ARP响应分组的主要内容是表明：“我的IP地址是192.168.0.4,我的硬件地址是08-00-2B-00-EE-AA”,请注意：虽然ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址。(4)主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓冲表中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。3.事例说明：用ping说明ARP工作的原理假设我们的计算机IP地址是192.168.1.1，要执行这个命令：ping192.168.1.2。该命令会通过ICMP协议发送ICMP(以太网控制报文协议)数据包该过程需要经过下面的步骤：1应用程序构造数据包，该示例是产生ICMP包，被提交给内核（网络驱动程序）；2内核检查是否能够转化该IP地址为MAC地址，也就是在本地的ARP缓存中查看IP-MAC对应表;3如果存在该IP-MAC对应关系，那么跳到步骤7；如果不存在该IP-MAC对应关系，那么接续下面的步骤;4内核进行ARP广播，目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，ARP命令类型为REQUEST（1），其中包含有自己的MAC地址；5当192.168.1.2主机接收到该ARP请求后，就发送一个ARP的REPLY（2）命令，其中包含自己的MAC地址；6本地获得192.168.1.2主机的IP-MAC地址对应关系，并保存到ARP缓存中；7内核将把IP转化为MAC地址，然后封装在以太网头结构中，再把数据发送出去；4.特殊情况：ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的目标设备和源主机不在同一个局域网上。1此时主机A就无法解析出主机B的硬件地址（实际上主机A也不需要知道远程主机B的硬件地址）;2此时主机A需要的是将路由器R1的IP地址解析出来，然后将该IP数据报发送给路由器R1.3R1从路由表中找出下一跳路由器R2，同时使用ARP解析出R2的硬件地址。于是IP数据报按照路由器R2的硬件地址转发到路由器R2。4路由器R2在转发这个IP数据报时用类似方法解析出目的主机B的硬件地址，使IP数据报最终交付给主机B.说明：Ø如果你的数据包是发送到不同网段的目的地，那么就一定存在一条网关的IP-MAC地址对应的记录。Ø知道了ARP协议的作用，就能够很清楚地知道，数据包的向外传输很依靠ARP协议，当然，也就是依赖ARP缓存。要知道，ARP协议的所有操作都是内核自动完成的，同其他的应用程序没有任何关系。同时需要注意的是，ARP协议只使用于本网络。四.ARP缓冲表和TTL1.ARP缓冲表1ARP协议的本质是完成网络地址到物理地址的映射。从概念上将就是找到一个映射方法f,使得“物理地址=f(网络地址)“。物理地址有两种基本类型：以太网类型和令牌环网类型。网络地址特指IP地址，对映射方法的要求就是高效。具体到以太网，它使用的是动态绑定转换的方法。一般是设置ARP高速缓存，通过学习，老化，更新，溢出算法处理ARP映射表来解决这些问题。Ø学习指ARP收到任何指向本结点IP地址的ARP/IP包，从中提取出地址对，当ARP缓冲表中无对应项时，由ARP接收部分添加；Ø老化指为每项设置寿命域，以便代谢掉陈旧的地址映射项；Ø更新指ARP提取到新的地址对时，用其更新缓存里已有的对应项；Ø溢出算法指当缓存慢时，采取何种方法替代旧有的地址对。2ARP缓存表由状态，寿命，IP地址，MAC地址4个字段组成。状态字段指示地址对是否有效；寿命字段用于老化操作，初始存入最大值，以后由OS时间函数调用，每秒减1，直至为0清除；IP地址和MAC地址字段保存网络地址和物理地址的映射。围绕ARP缓存表，完成了4种操作：学习，老化，更新，表满处理。3当ARP被询问一个已只IP地址节点的MAC地址时，先在ARPcache查看l若存在，就直接返回MAC地址，l若不存在，才发送ARPrequest向局域网查询。4当主机A向B发送数据报时，很可能以后不久主机B还要向A发送数据报，因而主机B可能要向A发送ARP请求分组。所以，为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的写入主机B自己的ARP高速缓冲表中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。Tiger说明：任何事物都有两面性，如果掌握的好它就是天使，如果掌握的不好它就是Satan,ARP中的缓冲表为计算机之间的通信效率和减少网络通信量之间作出了巨大的贡献，但是它同时为我们上网时留下了安全隐患；例如交换机嗅探(在下面会有介绍)2.ARP中的TTL（即上面所说的寿命域）ARP将保存在高速缓冲表中的每一个映射地址表项都设置了TTL(生存时间)，只要TTL小于0的项目就从高速缓冲表中删除掉。(ARP的超时值一般为20分钟，对不完整的表项设置为20分钟，而对不完整的表项设置为2分钟《不完整的表项：即在以太网上对一个不存在的主机发出ARP请求》，当这些表项再次使用时，这些实现一般都把超时值重新设为20分钟。)好处：主机A和B通信。A的ARP高速缓冲表里保存有B的物理地址。但B的网卡突然坏了，B立即就更换了一块，因此B的硬件地址就改变了。A还要和B继续通信。A在其ARP缓冲表中查找到B原先的硬件地址，并使用该硬件地址向B发送数据帧。但B原先的硬件地址已经失效了。因此A无法找到主机B。但是过了一段时间，A的ARP高速缓冲表中已经删除了B原先的硬件地址（因为它的生存时间到了），于是A重新光播发送ARP请求分组，又找到了B。五.ARP命令：1.使用arp-a命令就可以查看本地的ARP缓存内容，所以，执行一个本地的PING命令后，ARP缓存就会存在一个目的IP的记录了。2.使用arp–d来删除ARP高速缓存中的某一项内容3.使用arp–s来增加高速缓冲表中的内容，这个命令需要主机名和以太网地址。新增加的内容是永久性的，除非在命令行的末尾加上关键字temp。arp–s157.55.85.21200-aa-aa-562-c6-09增加一个静态的ARP表项。4.arppub–s:使系统起着主机ARP代理功能。系统将回答与主机名对应的IP地址的ARP请求。六ARP其他方面1.交换网络的嗅探11.ARP协议并不只在发送了ARP请求才接收ARP应答当计算机接收到ARP应答数据包的时候，就会对本地的ARP缓存进行更新，将应答中的IP和MAC地址存储在ARP缓存中。因此，在上面的假设网络中，B向A发送一个自己伪造的ARP应答，而这个应答中的数据为发送方IP地址是192.168.10.3（C的IP地址），MAC地址是DD-DD-DD-DD-DD-DD（C的MAC地址本来应该是CC-CC-CC-CC-CC-CC，这里被伪造了）。当A接收到B伪造的ARP应答，就会更新本地的ARP缓存，将本地的IP-MAC对应表更换为接收到的数据格式，由于这一切都是A的系统内核自动完成的，A可不知道被伪造了。ARP欺骗的主要用途就是进行在交换网络中的嗅探。2.IP地址冲突1如果网络中存在相同IP地址的主机时候，就会报告出IP地址冲突的警告。2如何产生？Ø比如某主机B规定IP地址为192.168.0.1，如果它处于开机状态，那么其他机器A更该IP地址为192.168.0.1就会造成IP地址冲突。Ø其原理是：主机A在连接网路（或更改IP地址）的时候就会向网络发送ARP包广播自己的IP地址，也就是freearp(免费ARP)