ARP协议工作原理

Posted 2020-12-28

    ARP协议可以完成任意网络地址到任意物理地址的转化，本次主要讲解IP网络地址到以太网（MAC地址）地址的转化。ARP的工作原理：主机向自己所在的网络广播一个ARP请求，该请求包含目标机器的网络地址。该网络中的其他机器都会收到这个ARP请求，但只有包含目标网络地址的机器会回应这个ARP请求，并且回应的信息中包含目标的物理地址。

1. 以太网ARP请求/应答报文详解

    以太网ARP请求/应答报文格式如下图所示：

硬件类型	协议类型	硬件地址长度	协议地址长度	操作	发送端以太网地址	发送端IP地址	目的端以太网地址	目的端IP地址
2字节	2字节	1字节	1字节	2字节	6字节	4字节	6字节	4字节

    以太网ARP请求/应答报文各字段介绍：

• 硬件类型字段定义物理地址的类型，MAC地址使用1来表示。

• 协议类型字段表示要映射的协议地址类型，IP地址使用0x800表示。

• 硬件地址长度和协议地址长度，顾名思义，代表他们由几个字节来表示。以太网类型的硬件地址长度需要6个字节来表示，IP（V4）类型的协议地址长度需要4个字节来表示。

• 操作字段指出4种操作类型：ARP请求（值1）、ARP应答（值2）、RARP请求（值3）、RARP应答（值4）。

• 最后4个字段指定通信双方的以太网地址与IP地址。发送方需要指定除了目的端的以太网地址外的其他三个地址，从而构建出ARP请求并发送出去。接受端发送ARP请求的目的端IP地址是自己，就将自己的以太网地址填充到里面，并且交换发送端与目的端的以太网地址和IP地址，将操作字段的值设置为2并发送出去。

  由上表可知，ARP报文的长度为28字节。如果再加上以太网帧的头部与尾部的18个字节，则一个携带ARP请求/应答包的以太网帧的长度为46个，字节。不过有些要求以太网帧的数据部分的长度不低于46个字节，所以ARP请求/应答包将增加一些填充字节，以满足该要求。在这种情况下，一个携带ARP请求/应答的以太网帧的长度为64个字节。

2. ARP高速缓存的查看和修改

   通常ARP会维护一个高速缓存，其中保存着经常访问（例如网关地址）以及最近访问的机器的IP地址到物理地址的映射。这样避免了重复的ARP请求，大大提高了发送数据包的速度。

    Linux可以使用arp命令来查看和修改ARP高速缓存。例如：我的Ubuntu在某一时刻（注意：ARP高速缓存是动态变化的）的ARP高速缓存内容如下（命令arp -a）

    第一行描述的是本机在docker0上面的IP地址与MAC地址，第二行描述的是本机在eth0上面的IP地址与MAC地址。下面两条命令分别是删除和添加一条ARP高速缓存项

$sudo arp -d 192.168.48.254                                        #删除ARP缓存项

$sudo arp -s 192.168.48.254 00:50:56:e6:2d:1f                      #添加ARP缓存项

3. 使用tcpdump观察ARP通信过程

    为了清楚地了解ARP的通信过程，我们从本机上使用telnet命令登录到docker0的echo服务（已开启echo服务），并且使用tcpdump抓取两个测试机器交换的以太网帧，具体操作如下所示：

$sudo arp -d 172.17.0.2                                                                #清楚ARP缓存中的docker0的缓存项

$sudo tcpdump -i docker0 -ent '(dst 172.17.0.2 and src 172.17.0.1) or (dst 172.17.0.1 and src 172.17.0.2)'   #开始抓包

$telnet 172.17.0.2 echo                                                                #在新的终端上面输入该命令

    在执行telnet命令之前，应该先使用arp -d 命令清除arp缓存区。否则的话，ARP通信将不被执行，我们也就无法获得包含ARP的以太网帧。tcpdump抓取的众多数据包中，只有最靠前的两个与ARP通信有关系，现将内容列举到下面：

1. 02:42:56:39:22:6e > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 42: Request who-has 172.17.0.2 tell 172.17.0.1, length 28

2. 02:42:ac:11:00:02 > 02:42:56:39:22:6e, ethertype ARP (0x0806), length 42: Reply 172.17.0.2 is-at 02:42:ac:11:00:02, length 28

    由tcpdump抓取的数据包本质上还是以太网帧，我们通过该命令的众多选项来控以太网帧制帧的过滤（比如：使用dst与src来指定目标端的IP地址与源端的IP地址）和显示（使用 -e来显示以太网帧的头部信息）

    第一个以太网帧数据包中，ARP的源端的物理地址是02:42:56:39:22:6e，目标端的物理地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff，这是以太网的广播地址，用来表示整个LAN。该LAN上的所有机器都会收到并处理这样的帧。0x0806是以太网帧头部的类型字段的值，它表示分用的模块是ARP模块。该以太网帧的长度是42个字节，其中数据部分的长度是28个字节。Request 表示这是一个ARP请求。“who-has 172.17.0.2 tell 172.17.0.1”表示本机要查询的docker0的IP地址。

    第二个以太网帧数据包中，ARP的源端的物理地址是02:42:ac:11:00:02，目标端的物理地址是02:42:56:39:22:6e。Reply表示这是一个ARP应打包。“172.17.0.2 is-at 02:42:ac:11:00:02”表示目标机器报告其物理地址。