ARP详解

1.ARP简介

地址解析协议（Address Resolution Protocol），其基本功能为透过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。它是IPv4中网络层必不可少的协议，不过在IPv6中已不再适用，并被邻居发现协议（NDP）所替代。

2.ARP工作流程

假设主机A和B在同一个网段，主机A要向主机B发送信息，具体的地址解析过程如下：
(1) 主机A首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机B。

(2) 如果主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为主机A的IP地址和MAC地址，目标IP地址和目标MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。

(3) 主机B比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，当两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。之后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MAC地址。

(4) 主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。

3.ARP报文格式

先要清楚，一般说以太网地址就是指MAC地址。

　　字段1是ARP请求的目的以太网地址，全1时代表广播地址。

　　字段2是发送ARP请求的以太网地址。

　　字段3以太网帧类型表示的是后面的数据类型，ARP请求和ARP应答这个值为0x0806。

　　字段4表示硬件地址的类型，硬件地址不只以太网一种，是以太网类型时此值为1。

　　字段5表示要映射的协议地址的类型，要对IPv4地址进行映射，此值为0x0800。

　　字段6和7表示硬件地址长度和协议地址长度，MAC地址占6字节，IP地址占4字节。

　　字段8是操作类型字段，值为1，表示进行ARP请求；值为2，表示进行ARP应答；值为3，表示进行RARP请求；值为4，表示进行RARP应答。

　　字段9是发送端ARP请求或应答的硬件地址，这里是以太网地址，和字段2相同。

　　字段10是发送ARP请求或应答的IP地址。

　　字段11和12是目的端的硬件地址和协议地址。

4.抓包分析

下面是抓取的ARP数据包，可以对照上面的说明进行理解。
图中红框圈起来的是一对ARP请求和ARP应答。

4.1 ARP请求报文

4.2ARP应答报文

ARP应答分组中，将ARP请求中的源和目的地址进行交换，此外，变化的还有字段8 Opcode。其余字段内容不会发生变化。

5.其他

5.1 ARP表

设备通过ARP解析到目的MAC地址后，将会在自己的ARP表中增加IP地址到MAC地址的映射表项，以用于后续到同一目的地报文的转发。

5.1.1 动态ARP表

动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的ARP报文更新，可以被静态ARP表项覆盖。当到达老化时间、接口down时会删除相应的动态ARP表项。

5.1.2 静态ARP表

静态ARP表项通过手工配置和维护，不会被老化，不会被动态ARP表项覆盖。
配置静态ARP表项可以增加通信的安全性。静态ARP表项可以限制和指定IP地址的设备通信时只使用指定的MAC地址，此时攻击报文无法修改此表项的IP地址和MAC地址的映射关系，从而保护了本设备和指定设备间的正常通信。

5.2 免费ARP

免费ARP指主机发送ARP查找自己的IP地址，通常发生在系统引导期间进行接口配置时。与标准ARP的区别就是免费ARP分组的目的IP地址字段封装的是自己的IP地址，即向所在网络请求自己的MAC地址。
免费ARP的作用有：
　　1) 一个主机可以通过它来确定另一个主机是否设置了相同的 IP地址。

　　　正常情况下发送免费ARP请求不会收到ARP应答，如果收到了一个ARP应答，则说明网络中存在与本机相同的IP地址的主机，发生了地址冲突。

　　2)更新其他主机高速缓存中旧的硬件地址信息。

　　　如果发送免费ARP的主机正好改变了硬件地址，如更换了接口卡。

　　　其他主机接收到这个ARP请求的时候，发现自己的ARP高速缓存表中存在对应的IP地址，但是MAC地址不匹配，那么就需要利用接收的ARP请求来更新本地的ARP高速缓存表表项。

　　3)网关利用免费ARP防止ARP攻击

　　有些网关设备在一定的时间间隔内向网络主动发送免费ARP报文，让网络内的其他主机更新ARP表项中的网关MAC地址信息，以达到防止或缓解ARP攻击的效果。

　　4)利用免费ARP进行ARP攻击

　　ARP协议并不只在发送了ARP请求才接收ARP应答，计算机只要接收到ARP应答数据包，就会使用应答中的IP和MAC地址对本地的ARP缓存进行更新。

　　主机可以构造虚假的免费ARP应答，将ARP的源MAC地址设为错误的MAC地址，并把这个虚假的免费ARP应答发送到网络中，那么所有接收到这个免费ARP应答的主机都会更新本地ARP表项中相应IP地址对应的MAC地址。更新成功后，这些主机的数据报文就会被转发到错误的MAC地址，从而实现了ARP欺骗的攻击。

5.3 代理ARP

代理ARP就是通过使用一个主机(通常为router)，来作为指定的设备使用自己的 MAC 地址来对另一设备的ARP请求作出应答。

为什么需要代理ARP？

　　先要了解，路由器的重要功能之一就是把局域网的广播包限制在该网内，阻止其扩散，否则会造成网络风暴。

　　ARP请求是个广播包，它询问的对象如果在同一个局域网内，就会收到应答。但是如果询问的对象不在同一个局域网该如何处理？路由器就提供了代理ARP为这个问题提供了解决方案。

工作过程

　　两台主机A和B处于同一网段但不同的广播段（不在同一物理网络上）时，主机A发送ARP请求主机B的MAC地址时，因为路由器不转发广播包的原因，ARP请求只能到达路由器。如果路由器启用了代理ARP功能，并知道主机B属于它连接的网络，那么路由器就用自己接口的MAC地址代替主机B的MAC地址来对主机A进行ARP应答。主机A接收ARP应答，但并不知道代理ARP的存在。

代理ARP的优缺点

　　优点：代理ARP能在不影响路由表的情况下添加一个新的Router，使子网对该主机变得透明化。一般代理ARP应该使用在主机没有配置默认网关或没有任何路由策略的网络上。

　　缺点：从工作工程可以看到，这其实是一种ARP欺骗。而且，通过两个物理网络之间的路由器的代理ARP功能其实互相隐藏了物理网络，这导致无法对网络拓扑进行网络概括。此外，代理ARP增加了使用它的那段网络的ARP流量，主机需要更大的ARP缓存空间，也不会为不使用ARP进行地址解析的网络工作。

5.4 ARP攻击

ARP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，以保证通信的进行。 基于ARP协议的这一工作特性，黑客向对方计算机不断发送有欺诈性质的ARP数据包，数据包内包含有与当前设备重复的Mac地址，使对方在回应报文时，由于简单的地址重复错误而导致不能进行正常的网络通信。

一般情况下，受到ARP攻击的计算机会出现两种现象：
1)不断弹出“本机的XXX段硬件地址与网络中的XXX段地址冲突”的对话框。
2) 计算机不能正常上网，出现网络中断的症状。

因为这种攻击是利用ARP请求报文进行“欺骗”的，所以防火墙会误以为是正常的请求数据包，不予拦截。因此普通的防火墙很难抵挡这种攻击。

参考

arp地址解析协议
TCP/IP协议——ARP详解
ARP详解