[图解]ARP协议（一）

一、ARP概述

如果要在TCP/IP协议栈中选择一个"最不安全的协议"，那么我会毫不犹豫把票投给ARP协议。我们经常听到的这些术语，包括"网络扫描"、"内网***"、"中间人拦截"、"局域网流控"、"流量欺骗"，基本都跟ARP脱不了干系。大量的安全工具，例如大名鼎鼎的Cain、功能完备的Ettercap、操作傻瓜式的P2P终结者，底层都要基于ARP实现。

 

听上去这么"逆天"的协议，其实技术原理又简单的难以置信，例如ARP整个完整交互过程仅需要两个包，一问一答即可搞定！但是ARP协议也有它令初学者迷惑的地方，例如由它本身延伸出来的"代理ARP"、"免费ARP"、"翻转ARP"、"逆向ARP"，而这些不同种类的ARP，又应用于不同的场景。好吧，在深入到技术原理之前，作为初学者，我们先记住下面三句话：

 

①ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析协议， 用于实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标IP对应的MAC地址。

②在网络通信中，主机和主机通信的数据包需要依据OSI模型从上到下进行数据封装，当数据封装完整后，再向外发出。所以在局域网的通信中，不仅需要源目IP地址的封装，也需要源目MAC的封装。

③一般情况下，上层应用程序更多关心IP地址而不关心MAC地址，所以需要通过ARP协议来获知目的主机的MAC地址，完成数据封装。

 

接下来，我们通过图解的方式来深入了解ARP协议是如何工作的。

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二、ARP原理之请求应答

同一个局域网里面，当PC1需要跟PC2进行通信时，此时PC1是如何处理的？

根据OSI数据封装顺序，发送方会自顶向下（从应用层到物理层）封装数据，然后发送出去，这里以PC1 ping PC2的过程举例==>

PC1封装数据并且对外发送数据时，上图中出现了"failed"，即数据封装失败了，为什么？

我们给PC1指令-"ping ip2"，这就告知了目的IP，此时PC1便有了通信需要的源目IP地址，但是PC1仍然没有通信需要的目的MAC地址。这就好比我们要寄一个快递，如果在快递单上仅仅写了收件人的姓名（IP），却没有写收件人的地址（MAC），那么这个快递就没法寄出，因为信息不完整。

 

那么，现在PC1已经有了PC2的IP地址信息，如何获取到PC2的MAC地址呢？此时，ARP协议就派上用场了。我们接着上面这张图，继续==>

通过第三和第四步骤，我们看到PC1和PC2进行了一次ARP请求和回复过程，通过这个交互工程，PC1便具备了PC2的MAC地址信息。

接下来PC1会怎么做呢？在真正进行通信之前，PC1还会将PC2的MAC信息放入本地的【ARP缓存表】，表里面放置了IP和MAC地址的映射信息，例如 IP2<->MAC2。接下来，PC1再次进行数据封装，正式进入PING通信，如下==>

小结：经过上面6个步骤的处理，PC1终于把数据包发送出去了，之后便可以进行正常的通信了。看到了吧，ARP的功能和实现过程是如此的简单：它在发送方需要目标MAC地址的时及时出手，通过"一问一答"的方式获取到特定IP对应的MAC地址，然后存储到本地【ARP缓存表】，后续需要的话，就到这里查找。

既然是"缓存"表，意味着它有时效性，并且如果电脑或者通信设备重启的话，这张表就会清空；也就是说，如果下次需要通信，又需要进行ARP请求。在我们的windows/macos系统下，可以通过命令行"arp -a"查看具体信息=>

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三、ARP原理之广播请求单播回应

上面的图解过程看上去简单又纯粹，好像我们就已经把这个协议的精髓全部get到，但其实，我们只是刚揭开了它的面纱，接下来我们才真正进入正题。例如，上面的图解过程中，整个局域网（LAN）只有PC1和PC2两个主机，所以这个一问一答过程非常的顺畅。

而实际网络中，这个LAN可能有几十上百的主机，那么请问，PC1如何将这个【ARP请求包】顺利的交给PC2，而PC2又如何顺利的把【ARP回应包】返回给PC1? 我们看下面的图：

为了营造出"几十上百"的效果，这里多添加了2个主机进来 ( ω )，并且增加了有线和无线的环境。那么，在多主机环境下，PC1现在发出的ARP请求包，怎么交到PC2手里？

这时，ARP协议就需要采用以太网的"广播"功能：将请求包以广播的形式发送，交换机或WiFi设备（无线路由器）收到广播包时，会将此数据发给同一局域网的其他所有主机。

 

那么，什么是广播？对于初学者而言，我们只需要知道，大部分的广播包，它们有一个共同特征：二层封装时目的MAC是全f（ffff.ffff.ffff）或三层封装时目的IP是全1（255.255.255.255）。可以这样更方便的记住：目的地址最大的，就是广播。

 

注明：广播根据所在层次可分为二层广播和三层广播，根据发生范围可分为本地广播和定向广播，小伙伴们有兴趣可以自己再去拓展下。

接下来我们来看下这个ARP广播请求包接下来是如何工作的？

根据上图我们看到，PC1发送的请求广播包同时被其他主机收到，然后PC3和PC4收到之后（发现不是问自己）则丢弃。而PC2收到之后，根据请求包里面的信息（有自己的IP地址），判断是给自己的，所以不会做丢弃动作，而是返回ARP回应包。

 

ARP请求是通过广播方式来实现的，那么，PC2返回ARP回应包，是否也需要通过广播来实现呢？答案是否定的。大部分网络协议在设计的时候，都需要保持极度克制，不需要的交互就砍掉，能合并的信息就合并，能不用广播就用单播，以此让带宽变得更多让网络变得更快。

那么，ARP回应包是如何处理的？这里需要特别关注ARP请求包的内容，在上面的图解里面，ARP请求包的完整信息是：我的IP地址是IP1，MAC地址是MAC1，请问谁是PC2，你的IP2对应的MAC地址是多少？

简单来说，ARP请求首先有"自我介绍"，然后才是询问。这样的话，PC2在收到请求之后，就可以将PC1的IP和MAC映射信息存储在本地的【ARP缓存表】，既然知道PC1在哪里，就可以返回ARP单播回应包。

这张图我们需要得到两个信息：①被询问者PC2先生成了ARP映射信息，然后才是询问者PC1；②PC3和PC4等其他主机，无法收到这个ARP回应包，因为是单播形式。

 

小结：ARP协议通过"一问一答"实现交互，但是"问"和"答"都有讲究，"问"是通过广播形式实现，"答"是通过单播形式。

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四、ARP数据包解读

为了让大家更好的理解ARP协议以及广播和单播的概念，我们来看一下用Wireshark抓取到的真实网络中的ARP过程，通过数据包的方式来呈现，地址信息如下，部分MAC信息隐去。（建议初学者用GNS3配合Wireshark来抓取协议包进行分析，相比真实网络更加干净，方便分析）

主机1 <---> 主机2

主机1：  IP1 10.1.20.64    MAC1：00:08:ca:xx:xx:xx

主机2：  IP2 10.1.20.109  MAC2：44:6d:57:xx:xx:xx

【ARP请求包】

【ARP回应包】

【ARP协议字段解读】

Hardware type ：硬件类型，标识链路层协议

Protocol type： 协议类型，标识网络层协议

Hardware size ：硬件地址大小，标识MAC地址长度，这里是6个字节（48bti）

Protocol size： 协议地址大小，标识IP地址长度，这里是4个字节（32bit）

Opcode： 操作代码，标识ARP数据包类型，1表示请求，2表示回应

Sender MAC address ：发送者MAC

Sender IP address ：发送者IP

Target MAC address ：目标MAC，此处全0表示在请求

Target IP address： 目标IP

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五、ARP到底是链路层还是网络层？

这个问题的难度堪比另外一个世界级难题：世界上最好的编程语言是什么？

其实早在20世纪时，W.Richard Stevens在《TCP/IP详解卷一》里面就提到了这个难题。这里给出我个人的协议分层思路，给大家作为参考=>

协议到底所属哪一层，可以从应用/功能来考虑，也可以从层次/包封装来考虑。

以ARP协议为例，它的功能最终是获取到MAC信息，服务于链路层，从这点考虑，ARP是链路层协议；但是从层次来看，ARP基于Ethernet协议，IP协议基于Ethernet协议，它们在Ethernet协议里面有独立的Type类型，前者是0x0806，后者是0x0800，既然ARP和IP协议"平起平坐"，那么IP是网络层，ARP难道就不是网络层？

小结：基于功能来考虑，ARP是链路层协议；基于分层/包封装来考虑，ARP是网络层协议。（此方法对于ICMP协议同样管用）

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