ARP协议详解

Posted 2020-09-27

ARP协议简介

IP地址属于网络层，但ip地址在传输的时候需要跨越不同的物理网络进行交换，此时如果一台主机要将一个帧发送到另一台主机，光知道其ip地址是不够的，还需要知道其有效的“硬件地址”。

ARP（地址解析协议）就提供了一种在32位IPv4地址和以太网的48位MAC地址（硬件地址）之间的映射。

 

ARP提供的是网络层地址到相关硬件地址的“动态映射”，即：会自动执行和随时间变化，而不需要系统管理员的配置。（如一台一台主机改变了它的网卡后（mac地址改变），ARP可以在一定延时后继续正常工作）

 

整体流程

http://10.0.01当本地计算机在浏览器中浏览一个网页时：

本地计算机先是判断该服务是位于本地（看ip地址是否位于同一子网）还是远程。

如果是远程，且发送端与远程接收端之间是“直接交付”（拥有相同的ip地址前缀）的形式，

整体流程如下图：

 

 

（1）浏览器调用一个特殊的函数来解析URL，看其是否包含域名（主机名）。（此例子使用的是IPv4地址）

（2）应用程序要求TCP协议建立一条到10.0.0.1的连接。

（3）TCP尝试向远程主机发送一个连接请求（此时由于假定的是直接交付，所以中途不经过任何路由器）。

（4）、（5）查看本地主机的“ARP缓存（或表）”中是否已经缓存了ip地址与mac地址之间的映射，如果没有缓存，则进入下面的步骤。

（6）在一个共享的链路层网段上（ARP协议多用于局域网内的直接交付），ARP向“所有主机”发送一个称为“ARP请求”的以太网帧。这种行为被称为“以太网广播”（也叫链路层广播）。而“ARP请求”的目的是：如果某主机接收了该ARP请求，且该主机IPv4地址也与10.0.0.1一致，那么这台主机请返回给我你的MAC地址。（ARP协议就是用这种方式，知道了10.0.0.1地址所对应的MAC地址）。（IP地址不匹配的主机会主动丢弃掉ARP请求）

（7）假设找到了“使用10.0.0.1作为IPv4地址”的主机，那么该主机的ARP协议需要响应一个“ARP应答”。该应答包含该主机的IPv4地址和MAC地址。该应答会直接发送给请求的发送方。

（8）“ARP应答”被原始请求的发送方接收。

（9）发送方将数据报封装在以太网帧中，使用通过ARP协议获取到的接收方的MAC地址，直接将以太网帧发送给接收方。

 

由此该以太网帧仅指向正确的目的主机，其他主机或路由不会接收到这个数据报。

通过这个流程，我们也能明白：当仅使用直接交付时，并不需要经过路由器。

 

APR缓存

为了使ARP高效运行，每个主机或路由器上都维护有一张“ARP缓存表”。

该缓存存储了每个接口从网络层地址（ip地址）到硬件地址（mac地址）的最新映射关系。

缓存正常的到期时间为：条目创建开始后的20分钟。（管理员也可设置缓存条目永不超时）

 

每个映射的缓存条目包含5个元素：

主机名（对应一个ip地址）、硬件地址类型、硬件地址、标志、本地网络接口。

 

其中“标志”包含了一个符号：C、M或P.

C表示，该缓存条目是由ARP协议自己“动态学习”得来的。

M表示，该缓存条目是手工输入的。

P表示，该缓存条目是“发布的”。对于任何P类的缓存条目，主机对输入的ARP请求都返回一个ARP相应。该选项用于配置代理ARP。

 

ARP帧格式

 

 

前14个字节（MAC头部）是一个标准的以太网帧头部，DST表示目的MAC地址，SRC表示源MAC地址，长度或类型用于确定头部后面的数据类型，常见的值包括：0x0800（IPv4）、0x86DD（IPv6）、0x0806（ARP）

 

前14个字节之后，由ARP协议来定义，ARP帧的前8个字节时通用的：

硬件类型字段指出硬件地址类型，对于以太网，该值为1.

 

协议类型字段指出映射的协议地址类型，对于IPv4地址，该值为0x0800。（当以太网帧包含“IPv4数据报”时，长度或类型字段与协议字段可能一样，即都是0x0800）

 

硬件大小和协议大小分别指出硬件地址和协议地址的字节数。（对于以太网中使用IPv4地址的ARP应答，其值为6和4）

 

Op字段指出该操作是：ARP请求（值为1）、ARP应答（2）、RARP请求（3）、RARP应答（4）

 

代理ARP

代理ARP是一个系统（通常是一个路由器）可回应不同主机的ARP请求（简单的说就是不管你找的是不是我，我都响应你，把我的mac地址告诉你，这样你下次再访问该ip时，通过arp缓存表，自动就访问到我这台冒名的主机上了）。