【Linux网络】ARP协议

ARP协议

虽然我们在这里介绍 ARP 协议，但是需要强调，ARP 不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。

ARP数据报的格式

字段	长度（字节）	说明
硬件类型	2	网络类型（如以太网为1）
协议类型	2	上层协议（如IP为0x0800）
硬件地址长度	1	MAC地址长度（以太网为6）
协议地址长度	1	IP地址长度（IPv4为4）
操作码	2	1=请求，2=响应，3=反向请求（RARP），4=反向响应
发送方MAC地址	6	发送方物理地址
发送方IP地址	4	发送方IP地址
目标MAC地址	6	目标物理地址（请求时为全0或广播，响应时为目标主机MAC）
目标IP地址	4	目标IP地址

• 注意到源 MAC 地址、目的 MAC 地址在以太网首部和 ARP 请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的；
• 硬件类型指链路层网络类型，1 为以太网；
• 协议类型指要转换的地址类型，0x0800 为 IP 地址；
• 硬件地址长度对于以太网地址为 6 字节；
• 协议地址长度对于和 IP 地址为 4 字节；
• op 字段为 1 表示 ARP 请求，op 字段为 2 表示 ARP 应答。

ARP协议的作用

ARP 协议建立了主机 IP 地址和 MAC 地址的映射关系。

• 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；
• 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协议的工作流程

1. 发送ARP请求（广播阶段）

• 触发条件：当主机A需要向主机B发送数据时，先检查自己的ARP缓存表（存储IP-MAC映射关系）：
  • 若存在主机B的IP-MAC映射 → 直接使用MAC地址封装数据帧。
  • 若不存在映射 → 发起ARP请求。
• 具体步骤：
  • 构造ARP请求报文：
    • 硬件类型：标识网络类型（如以太网为1）。
    • 协议类型：标识上层协议（如IP为0x0800）。
    • 发送方MAC地址：主机A的MAC地址（源物理地址）。
    • 发送方IP地址：主机A的IP地址（源IP）。
    • 目标MAC地址：全0（或FF-FF-FF-FF-FF-FF，广播地址）。
    • 目标IP地址：主机B的IP地址（待解析的IP）。
    • OP：设置为1
  • 广播发送：主机A将ARP请求以广播帧形式发送到局域网，所有主机均可接收。

2. 接收ARP请求并响应（单播阶段）

• 首先判断OP字段，是否为请求MAC帧
• 主机B的处理：
  • 收到广播请求后，检查报文中的“目标IP地址”是否为自己的IP：
    • 若是 → 确认主机A的IP-MAC映射，将其存入自己的ARP缓存表。
    • 构造ARP响应报文（单播），包含自身的MAC地址，发送给主机A。
• 其他主机的处理：
  • 若目标IP不是自己的IP → 忽略该请求，不做响应。

3. 主机A更新ARP缓存表

• 主机A收到主机B的单播响应后，解析出主机B的MAC地址，存入ARP缓存表，后续通信直接使用该MAC地址封装数据帧。

总结：

• 源主机发出 ARP 请求，询问“IP 地址是 192.168.0.1 的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播）；
• 目的主机接收到广播的 ARP 请求，发现其中的 IP 地址与本机相符，则发送一个 ARP 应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
• 每台主机都维护一个 ARP 缓存表，可以用 arp -a 命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为 20 分钟），如果 20 分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发 ARP 请求来获得目的主机的硬件地址。

$ arp -a
_gateway (10.2.8.1) at fe:ee:7e:91:aa:82 [ether] on eth0

为什么要有缓存表？

• 提高效率
• 加快响应速度

为什么表项要有过期时间而不是一直有效？

• 网络环境变化：网络中的设备可能会发生变动，如更换网卡、修改 IP 地址或更换设备等。
• 安全性考虑：ARP 协议存在被攻击的风险，如 ARP 欺骗。

ARP缓存表的管理

• 作用：存储IP地址与MAC地址的映射关系，避免重复发送ARP请求，提高通信效率。
• 特性：
  • 时效性：表项有生存周期（通常为几分钟，可通过arp -s手动设置），超时后自动删除，确保映射关系更新。
  • 手动操作：
    • arp -a：查看本地ARP缓存表。
    • arp -d <IP>：删除指定IP的缓存项。
    • arp -s <IP> <MAC>：手动添加静态映射（用于网关或关键设备，避免动态解析失败）。

ARP协议的扩展与变种

1. 免费ARP（Gratuitous ARP）

• 场景：主机主动发送ARP请求（即使不需要通信），用于：
  • 宣告自身存在（如服务器启动后）。
  • 检测IP地址冲突（主机发送自己IP的ARP请求，若收到响应则说明IP被占用）。

2. ARP代理（Proxy ARP）

• 场景：当主机位于不同子网，但未配置路由器时，由中间设备（如路由器）代替目标主机回应ARP请求，使主机误以为对方在同一子网。
• 风险：可能导致路由混乱，通常用于老旧网络环境。

3. ARP欺骗（ARP Poisoning）

• 攻击原理：恶意主机伪造ARP响应，将错误的MAC地址注入其他主机的缓存表，导致数据流向攻击者而非目标主机（用于中间人攻击）。
• 防御措施：
  • 静态绑定关键设备的IP-MAC映射（如网关）。
  • 使用ARP检测工具（如arpwatch）监控异常ARP流量。
  • 启用交换机的端口安全或DHCP Snooping功能。

ARP协议与RARP的区别

• ARP：已知IP地址，求MAC地址（正向解析）。
• RARP（反向地址解析协议）：已知MAC地址，求IP地址（已逐渐被DHCP取代）。

通过以上过程，ARP协议实现了IP地址到MAC地址的动态解析，是局域网通信的基础。理解其工作原理有助于排查网络连通性问题（如“arp -a”检查缓存是否正确），并防范ARP欺骗等安全威胁。

ARP欺骗原理

ARP欺骗的本质

ARP欺骗通过伪造ARP报文，篡改局域网内设备的ARP表，使目标设备错误地将数据包发送到攻击者控制的MAC地址，从而实现中间人攻击、流量窃取或阻断通信。

ARP欺骗的常见类型与原理

1. 单向欺骗（欺骗目标主机）

• 攻击方式：
  攻击者（主机X）伪造ARP响应报文，向目标主机（如主机A）发送虚假的“IP地址Y对应的MAC地址是X的MAC”。
• 结果：
  主机A的ARP表被篡改，误以为主机Y的MAC地址是攻击者的MAC。当主机A向主机Y发送数据时，数据包会先发给攻击者，而非真实主机Y。

2. 双向欺骗（欺骗目标主机和网关）

• 攻击方式：
  • 攻击者向目标主机发送伪造的“网关IP对应的MAC是攻击者MAC”的ARP报文。
  • 同时向网关发送伪造的“目标主机IP对应的MAC是攻击者MAC”的ARP报文。
• 结果：
  • 目标主机与网关之间的流量全部经过攻击者中转，形成中间人攻击。
  • 攻击者可窃取、篡改或阻断双方通信数据。

3. 泛洪攻击（ARP缓存污染）

• 攻击方式：
  攻击者向局域网内大量发送伪造的ARP报文，使所有主机的ARP表被无效的IP-MAC映射填满。
• 结果：
  设备无法建立正确的ARP表，导致网络瘫痪或通信中断。

四、ARP欺骗的攻击步骤（以双向欺骗为例）

1. 获取目标信息：
   攻击者通过扫描工具获取局域网内目标主机的IP地址和网关IP。
2. 伪造ARP报文：
   使用工具（如arpspoof）向目标主机和网关发送伪造的ARP响应，篡改双方的ARP表。
3. 中转流量：
   攻击者开启IP转发功能，使目标主机与网关的流量通过自己的设备中转，同时窃取或修改数据。
4. 维持欺骗：
   定期发送伪造ARP报文，防止目标设备因ARP缓存超时恢复正常映射。

五、ARP欺骗的危害

1. 数据窃取：攻击者可捕获明文传输的账号密码、聊天内容等敏感信息。
2. 流量篡改：篡改网页内容、植入恶意代码（如钓鱼页面）。
3. 拒绝服务（DoS）：通过ARP泛洪攻击导致网络瘫痪。
4. 隐蔽攻击跳板：利用欺骗建立的中间人通道，进一步渗透内网其他设备。