TCP/IP協議——ARP詳解
本文主要講述了ARP的作用、ARP分組格式、ARP高速緩存、免費ARP和代理ARP。
1.學習ARP前要了解的內容
建立TCP連接與ARP的關系
應用接受用戶提交的數據，觸發TCP建立連接，TCP的第一個SYN報文通過connect函數到達IP層，IP層通過查詢路由表：
如果目的IP和自己在同一個網段：
當IP層的ARP高速緩存表中存在目的IP對應的MAC地址時，則調用網絡接口send函數（參數為IP Packet和目的MAC））將數據提交給網絡接口，網絡接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封裝，並發送出去；
當IP層的ARP高速緩存表中不存在目的IP對應的MAC地址時，則IP層將TCP的SYN緩存下來，發送ARP廣播請求目的IP的MAC，收到ARP應答之後，將應答之中的<IP地址，對應的MAC>對緩存在本地ARP高速緩存表中，然後完成TCP SYN的IP封裝，調用網絡接口send函數（參數為IP Packet和目的MAC））將數據提交給網絡接口，網絡接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封裝，並發送出去；。
如果目的IP地址和自己不在同一個網段，就需要將包發送給默認網關，這需要知道默認網關的MAC地址：
當IP層的ARP高速緩存表中存在默認網關對應的MAC地址時，則調用網絡接口send函數（參數為IP Packet和默認網關的MAC）將數據提交給網絡接口，網絡接口完成Ethernet Header + IP + CRC
當IP層的ARP高速緩存表中不存在默認網關對應的MAC地址時，則IP層將TCP的SYN緩存下來，發送ARP廣播請求默認網關的MAC，收到ARP應答之後，將應答之中的<默認網關地址，對應的MAC>對緩存在本地ARP高速緩存表中，然後完成TCP SYN的IP封裝，調用網絡接口send函數（參數為IP Packet和默認網關的MAC）將數據提交給網絡接口，網絡接口完成Ethernet Header + IP + CRC的封裝，並發送出去。ARP的位置
OSI模型有七層，TCP在第4層傳輸層，IP在第3層網絡層，而ARP在第2層數據鏈路層。高層對低層是有強依賴的，所以TCP的建立前要進行ARP的請求和應答。
ARP高速緩存表在IP層使用。如果每次建立TCP連接都發送ARP請求，會降低效率，因此在主機、交換機、路由器上都會有ARP緩存表。建立TCP連接時先查詢ARP緩存表，如果有效，直接讀取ARP表項的內容進行第二層數據包的發送；只有表失效時才進行ARP請求和應答進行MAC地址的獲取，以建立TCP連接。
ARP的作用
要了解ARP的作用，首先要分清兩個“地址”：
（1）TCP/IP的32bit IP地址。僅知道主機的IP地址不能讓內核發送數據幀給主機。
（2）網絡接口的硬件地址，它是一個48bit的值，用來標識不同的以太網或令牌環網絡接口。在硬件層次上，進行數據交換必須有正確的接口地址，內核必須知道目的端的硬件地址才能發送數據。
簡言之，就是在以太網中，一臺主機要把數據幀發送到同一局域網上的另一臺主機時，設備驅動程序必須知道以太網地址才能發送數據。而我們只知道IP地址，這時就需要采用ARP協議將IP地址映射為以太網地址。
要註意一點，一般認為ARP協議只使適用於局域網。
2.ARP分組格式
ARP分組的格式如下圖：
先要清楚，一般說以太網地址就是指MAC地址。
字段1是ARP請求的目的以太網地址，全1時代表廣播地址。
字段2是發送ARP請求的以太網地址。
字段3以太網幀類型表示的是後面的數據類型，ARP請求和ARP應答這個值為0x0806。
字段4表示硬件地址的類型，硬件地址不只以太網一種，是以太網類型時此值為1。
字段5表示要映射的協議地址的類型，要對IPv4地址進行映射，此值為0x0800。
字段6和7表示硬件地址長度和協議地址長度，MAC地址占6字節，IP地址占4字節。
字段8是操作類型字段，值為1，表示進行ARP請求；值為2，表示進行ARP應答；值為3，表示進行RARP請求；值為4，表示進行RARP應答。
字段9是發送端ARP請求或應答的硬件地址，這裏是以太網地址，和字段2相同。
字段10是發送ARP請求或應答的IP地址。
字段11和12是目的端的硬件地址和協議地址。
下面是抓取的ARP數據包，可以對照上面的說明進行理解。
圖中紅框圈起來的是一對ARP請求和ARP應答。
下面兩張圖分別是ARP請求和相應的ARP應答的分組格式截圖。
ARP請求分組中，字段11目的MAC地址未知，用全0進行填充。
ARP應答分組中，將ARP請求中的源和目的地址進行交換，此外，變化的還有字段8 Opcode。其余字段內容不會發生變化。
那麽我們是如何區分ARP請求和ARP應答分組的呢？
分組中的地址字段和其他相同的字段無法作為區分依據，這時Opcode字段就發揮了作用，根據Opcode的值可以確定是請求還是應答，是ARP還是RARP。
3.ARP高速緩存
定義
ARP緩存是一個緩沖區，用來儲存IP地址和MAC地址，本質就是<IP地址，MAC地址>的對應表。表中一個條目記錄了網絡上一個主機的IP地址和其對應的MAC地址。
每一個以太網或令牌環網絡適配器都有自己單獨的表。
當地址解析協議被詢問一個已知IP地址節點的MAC地址時，先在ARP緩存中查看，若存在，就直接返回與之對應的MAC地址，若不存在，才發送ARP請求向局域網查詢。
ARP緩存表項的生存時間TTL
ARP緩存包含動態和靜態項目：
動態項目隨時間推移自動添加和刪除，每個動態ARP緩存項都有都設置了TTL(生存時間)，TTL為0時此項目就從表中刪除，Windows下TTL一般不超過10分鐘。
靜態 ARP 緩存條目是永久性的，可以使用 TCP/IP 工具手動添加和刪除。靜態 ARP 緩存條目用來禁止節點發送對常用的本地IPv4地址（例如路由器和服務器的 IPv4 地址）的ARP請求。
ARP高速緩存的使用
當主機發送一個ARP請求時，先查看ARP高速緩存表，如果存在對應條目，則直接返回MAC地址，否則向局域網發送ARP請求廣播。
ARP高速緩存的優缺點
優點：從ARP高速緩存的使用中可以看到，ARP高速緩存可以減小廣播量，進而減小網絡通信量，提高計算機之間的通信效率。
缺點：造成安全隱患（參考下面免費ARP的作用）。
4.免費ARP
定義
免費ARP指主機發送ARP查找自己的IP地址，通常發生在系統引導期間進行接口配置時。
與標準ARP的區別就是免費ARP分組的目的IP地址字段封裝的是自己的IP地址，即向所在網絡請求自己的MAC地址。
作用
免費ARP的作用有：
1) 一個主機可以通過它來確定另一個主機是否設置了相同的 IP地址。
正常情況下發送免費ARP請求不會收到ARP應答，如果收到了一個ARP應答，則說明網絡中存在與本機相同的IP地址的主機，發生了地址沖突。
2)更新其他主機高速緩存中舊的硬件地址進行。
如果發送免費ARP的主機正好改變了硬件地址，如更換了接口卡。
其他主機接收到這個ARP請求的時候，發現自己的ARP高速緩存表中存在對應的IP地址，但是MAC地址不匹配，那麽就需要利用接收的ARP請求來更新本地的ARP高速緩存表表項。
3)網關利用免費ARP防止ARP攻擊
有些網關設備在一定的時間間隔內向網絡主動發送免費ARP報文，讓網絡內的其他主機更新ARP表項中的網關MAC地址信息，以達到防止或緩解ARP攻擊的效果。
4)利用免費ARP進行ARP攻擊
ARP協議並不只在發送了ARP請求才接收ARP應答，計算機只要接收到ARP應答數據包，就會使用應答中的IP和MAC地址對本地的ARP緩存進行更新。
主機可以構造虛假的免費ARP應答，將ARP的源MAC地址設為錯誤的MAC地址，並把這個虛假的免費ARP應答發送到網絡中，那麽所有接收到這個免費ARP應答的主機都會更新本地ARP表項中相應IP地址對應的MAC地址。更新成功後，這些主機的數據報文就會被轉發到錯誤的MAC地址，從而實現了ARP欺騙的攻擊。
5.代理ARP
定義
代理ARP就是通過使用一個主機(通常為router)，來作為指定的設備使用自己的 MAC 地址來對另一設備的ARP請求作出應答。
為什麽需要代理ARP？
先要了解，路由器的重要功能之一就是把局域網的廣播包限制在該網內，阻止其擴散，否則會造成網絡風暴。
ARP請求是個廣播包，它詢問的對象如果在同一個局域網內，就會收到應答。但是如果詢問的對象不在同一個局域網該如何處理？路由器就提供的代理ARP為這個問題提供了解決方案。
工作過程
兩臺主機A和B處於同一網段但不同的廣播段時，主機A發送ARP請求主機B的MAC地址時，因為路由器不轉發廣播包的原因，ARP請求只能到達路由器。如果路由器啟用了代理ARP功能，並知道主機B屬於它連接的網絡，那麽路由器就用自己接口的MAC地址代替主機B的MAC地址來對主機A進行ARP應答。主機A接收ARP應答，但並不知道代理ARP的存在。
代理ARP的優缺點
優點：代理ARP能在不影響路由表的情況下添加一個新的Router，使子網對該主機變得透明化。一般代理ARP應該使用在主機沒有配置默認網關或沒有任何路由策略的網絡上。
缺點：從工作工程可以看到，這其實是一種ARP欺騙。而且，通過兩個物理網絡之間的路由器的代理ARP功能其實互相隱藏了物理網絡，這導致無法對網絡拓撲進行網絡概括。此外，代理ARP增加了使用它的那段網絡的ARP流量，主機需要更大的ARP緩存空間，也不會為不使用ARP進行地址解析的網絡工作。
轉載自：https://www.cnblogs.com/songwenlong/p/6103406.html
TCP/IP協議——ARP詳解