ARP 协议解析

ARP 协议简介

ARP 的全称是 Address Resolution Protocol,直译过来是 地址解析协议。对应的 RFC 文档是 RFC826。它的作用是把 IP 地址转换为 MAC 地址。为什么需要做这件事呢?

这是因为 TCP/IP 网络协议栈是分层的,每层负责不同的功能。IP 层(layer 3)负责路由寻路,换句话说,如果目的机器和客户端不在同一个网络,IP 层会穿过错综复杂的中间网络(互联网)找到目的机器所在的网络。

当报文在某一个网络中传播时(可能源机器和目的机器本来就在同一个网络,也可能报文在路由过程中执行下一跳步骤),IP 层的功能就没有用了,这时候起作用的是 2 层网络(链路层),大多数情况下就是以太网。以太网负责把多个机器连到一起,组成一个最小单位的局域网。在以太网中,不同机器的标识是 MAC 地址,MAC 地址是机器在生产的时候厂商为机器设定的。可以使用 ip link 命令查看网卡的 MAC 地址,比如我的机器上这个命令的输出是:

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: enp0s25: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 50:7b:9d:ca:08:f0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

我机器的网卡对应的 MAC 地址就是 50:7b:9d:ca:08:f0,这是一个 6 字节的数字,表示的时候每个字节用 : 分隔开,长度是 48 比特。

有了 MAC 地址,同一个以太网络上的两台机器才能够通信。机器 A 需要知道机器 B 的 MAC 地址,才能发送以太网帧;交换机收到报文之后,根据目的 MAC 地址决定应该从哪个端口发送出去;目的机器读取报文的 MAC 地址才能知道报文是不是要发给自己的。

最开始的时候,机器 A 只知道目的地址的 IP(用户用某种方式输入 IP 地址,或者通过 DNS 解析出来 IP 地址),不知道对方的 MAC 地址。这时候,机器 A 会发送 ARP 报文,去查询机器 B 的 MAC 地址,拿到 MAC 地址,就能完成通信的过程。

ARP 协议的内容,以及怎么拿到 MAC 地址就是这篇文章接下来要讲解的。

Linux ARP 缓存

如果每次主机通信都要发送 ARP 协议去查询 MAC 地址无疑是低效的,为了提供性能最常见的做法是在系统层面保存 ARP 的结果。因为 IP 地址和 MAC 地址并不会经常变化,而且主机间第一次通信之后有很大的可能性会在短时间内再次通信, 所以 ARP 缓存能够大大提高网络效率。

在 Linux 系统中,可以通过 ip neighbour(可以简写为 ip neigh) 命令管理 ARP 缓存。为了说明 Linux 系统中 ARP 的工作原理,我会在自己的机器上进行试验。试验环境如下图所示:

我的工作机器是 A,IP 地址是 172.16.13.16,我会 ping 另外一台和 A 在同一个以太网的机器 B(IP 地址是 172.16.13.18),并查看 A 上 ARP 缓存的情况。

两台机器在同一个子网中(连到同一台交换机上),这个可以用路由表确认:

➜  ~ ip route
172.16.13.0/24 dev enp0s25  proto kernel  scope link  src 172.16.13.16  metric 100 

在执行 ping 命令之前,机器 A 上并没有对方的 ARP 缓存,使用 ip neigh 可以列出(实际上我的机器上是有 ARP 规则的,但是这些规则都和 172.16.13.18 无关,因此没有打印在输出中):

➜  ~ ip neigh

执行 ping 命令,呼叫对方主机。-c 3 表示发送多少次请求,可以看到发送 3 次请求并接收到应答后 ping 程序就直接退出了(如果不添加 -c 3,ping 会一直发送请求,除非用户使用 ctl + C 强制退出应用)。

➜  ~ ping -c 3 172.16.13.18
PING 172.16.13.18 (172.16.13.18) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.16.13.18: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.282 ms
64 bytes from 172.16.13.18: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.238 ms
64 bytes from 172.16.13.18: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.235 ms

--- 172.16.13.18 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2028ms

此时再次查看 ARP 缓存,可以看到 172.16.13.18 对应的表项:

➜  ~ sudo ip neigh
172.16.13.18 dev enp0s25 lladdr 50:7b:9d:e0:8b:a8 REACHABLE

这个表项表明 172.16.13.18 对应的 MAC 地址是 50:7b:9d:e0:8b:a8dev enp0s25 是说发送给 172.16.13.18 的报文需要通过这个 interface,REACHABLE 表明目标地址是可达的,状态正常,其他状态还包括:

  • permanent:这个 ARP 缓存项没有过期时间,会一直生效,直到管理员把它删除
  • noarp:这个 ARP 表项是有效的,不需要验证它的真实性,但是它有过期时间,过期之后会被自动删除
  • stale:ARP 表项虽然有效,但是可疑,需要发送验证 ARP 报文
  • failed:该表项不可用,ARP 请求报文没有应答

ARP 缓存状态的详细解释可以参考这个文档

ARP 协议解析

ARP 报文格式如下图所示,对于 IP 地址转换为 MAC 地址来说,ARP 报文长度为 28 字节。

各个字段的含义为:

  • Hardware Type:传输 ARP 报文的物理网络类型,最常见的是以太网类型,对应的值是 1。这个字段的长度是 2 字节
  • Protocol Type:网络报文类型,字段长度是 2 字节。最常用的是 IPv4 报文,对应的值是 2048(十六进制为 0x0800,这和以太网帧中帧类型字段使用的 IP 报文类型相同,这是有意设计的)
  • Hardware Address Length:物理地址长度,字段长度是 1 比特。ARP 协议报文中物理地址(MAC 地址)有多少比特,对于大部分网络来说,这个值是 6(因为 MAC 地址是 6 个字节,48 比特长)
  • Protocol Address Length:网络地址长度,字段长度是 1 比特。表示 ARP 协议报文中网络地址(IP 地址)有多少比特,对于大部分网络来说,这个值是 4(因为 IPv4 地址是 4 个字节,32 比特)
  • Opcode:ARP 报文的类型,接下来我们会看到几种不同的 ARP 报文。这个字段占用 2 个比特,值为 1 代表 ARP 请求报文,值为 2 代表 ARP 应答报文,3 代表 RARP 请求报文,4 代表 RARP 应答报文
  • Sender Hardware Address:当前 ARP 报文的发送方的物理地址(MAC 地址)
  • Send Protocol Address:当前 ARP 报文发送发的网络地址(IPv4 地址)
  • Target Hardware Address:当前 ARP 报文接收方的物理地址(MAC 地址),如果是 ARP 情况请,这个字段为空(因为发送方就是不知道对方的 MAC 地址从会使用 ARP 来解析)
  • Target Protocol Address:当前 ARP 报文接收方的网络地址(IPv4 地址)

需要注意的是,虽然 ARP 协议目前最常用的场景是把 IP 地址转换为 MAC 地址,但是它设计之初却是为了更一般的场景。它的硬件类型、协议类型就是为了指明要转换地址的双方;而硬件地址长度和协议地址长度指定双方的地址长度(每种协议的地址长度可以会发生变化),其对应的就是头部最后面四个地址长度。

也就是说,ARP 本身可以转换其他硬件地址和网络地址,而且允许它们的地址长度是可变的。这导致 ARP 协议现在看来是有点冗余的,毕竟 IPv4 和 MAC 地址长度都是固定的,没有必要在协议中指定。

ARP 发送出去会被封装在以太网帧里,ARP 报文中有发送端的 MAC 地址,而以太网帧的报文头部也包含了发送端的 MAC 地址,也就是说报文中有完全重复的信息。

ARP 工作过程

第一步:机器 A 想和同一个以太网络的机器 B 通信,A 会现在自己的 ARP 表中查找 B 的 MAC 地址,如果能找到就直接发送以太网帧;如果没有找到,就跳到第二步 第二步:机器 A 发送 ARP 请求报文去查询机器 B 的 MAC 地址,这是个以太网广播报文,因此交换机会广播到网络中所有的机器 第三步:各个主机接收到 ARP 请求报文,如果发现 ARP 报文中询问的 IP 地址和自己不同,则直接丢弃;机器 B 发现 ARP 报文中询问的 IP 地址是自己的主机地址,则生成一个 ARP 应答报文,把自己的 MAC 地址填到报文中,发送给机器 A,这个报文是单播报文,不会发送给其他主机;同时机器 B 也会把机器 A 的 ARP 记录缓存起来 第四步:机器 A 接收到 B 发来的 ARP 应答,读取报文中 B 的 MAC 地址,使用这个 MAC 地址和机器 B 进行后续的通信,同时把它缓存到系统中

从机器 A ping 机器 B 时,用 wireshark 抓包,过滤出其中的 ARP,显示的结果如图: arp 协议流程

可以看到一共有两对 ARP 请求应答的过程,我们来逐个分析。

ARP 请求报文

首先是机器 A 发送的 ARP 请求,详细的报文内容如下: ARP 请求报文

报文列表的 Info 字段,对应的内容是:

Who has 172.16.13.18? Tell 172.16.13.16

这是 wireshark 帮我们解析 ARP 报文,并用英语表达出来。这句话生动地概括了 ARP 请求的意思:谁知道 172.16.13.18 的物理地址?告诉 172.16.13.16。

这个以太网帧的源地址是 50:7b:9d:ca:08:f0,也就是机器 A 的 MAC 地址;目的地址是 ff:ff:ff:ff:ff:ff,这是一个以太网广播地址,交换机会把报文发送给网络中所有的主机。

以太网帧类型(Type)字段的值是 0x0806,表示该数据帧是个 ARP 请求或者应答。

帧的长度是 42,其中包括 14 字节以太网帧头部,以及 28 字节 ARP 请求数据。

以太网帧内部是 ARP 请求的具体内容,Opcode 为 1,表示这是 ARP 请求,发送端(也就是机器 A)的 IP 地址是 172.16.13.16,目的端(也就是机器 B)的 IP 地址是 172.16.13.18。发送端的 MAC 地址是填写的,而目的端 MAC 地址为空(全部为 0)。

ARP 应答报文

第二个报文是 ARP 应答,详细报文内容如下图: ARP 应答报文

这个报文的 info 字段的信息是:

172.16.13.18 is at 50:7b:9d:e0:8b:a8

这也概括了 ARP 应答的意思:172.16.13.18 的 MAC 地址是 50:7b:9d:e0:8b:a8

和上个报文不同,这是一个单播报文,直接发送到机器 A,帧的目的 MAC 地址是 50:7b:9d:ca:08:f0。因为机器 B 能够从接收到的 ARP 请求报文中获取机器 A 的 IP 地址和 MAC 地址,可以直接发送单播。

Opcode 字段的值为 2,表示这是个 ARP 应答报文,而且 ARP 报文中四个地址都填上了对应的值(因为此时机器已经知道通信双方的所有地址)。

另外一点需要注意的是,这个以太网帧的长度是 60 字节,因为它的以太网帧后面加了 18 字节的 padding(填充字符)。这是以太网帧的最小长度值,那为什么 ARP 请求报文的长度可以低于 60 呢?这和 wireshark 抓包的原理有关,wireshark 捕获的包并不是真正发送到线路上的帧,而是发送给网卡驱动的数据。因此,如果从机器 B 上抓包,会发现机器 B 接收到的这个 ARP 请求长度也是 60 字节。

通过两个报文的时间可以发现,ARP 地址解析的时间在 0.2ms 左右,说明这个网络并不是非常繁忙,速度还是挺快的。

ARP cache validation 报文

后两个 ARP 报文也是一对:请求和应答,它们是从机器 B 发来查询机器 A MAC 地址的。

但是比较奇怪的是,ARP 请求报文以太网帧的目的地址居然不是广播,而是机器 A 的 MAC 地址?这和我们上面介绍的矛盾啊,为什么已经知道对方的 MAC 地址还要发送 ARP 报文去查询呢?

注意到,第三个报文距离上一个的时间间隔是 5s 左右,真正的 ICMP 报文(ping 应用传输的报文)已经在这个时间间隙中发送,也就是说机器 B 已经通过 A 发送的 ARP 报文把 ARP 保存到自己的缓存中了。第三个奇怪的 ARP 报文是为了验证缓存的有效性

ARP 缓存都会有有效期,在 Linux 实现中,它会验证 ARP 缓存的有效性,并更新缓存记录的状态。因为已经知道对方的 ARP 记录,所以就没有必要再通过广播机制造成额外的网络资源浪费,这个 ARP 请求可以理解为: 请问 172.16.13.16,你的 MAC 地址还是 50:7b:9d:ca:08:f0吗?。如果收到应答,说明该缓存记录有效;如果一直没有收到应答,则需要把缓存记录设置为失效或者删除,并在需要通信的时候使用正常的 ARP 请求获取对方的 MAC 地址。

我们可以在 RFC11222.3.2.1 小节(ARP Cache Validation)找到对应的文档说明:

IMPLEMENTATION: Four mechanisms have been used, sometimes in combination, to flush out-of-date cache entries.

……

(2) Unicast Poll – Actively poll the remote host by periodically sending a point-to-point ARP Request to it, and delete the entry if no ARP Reply is received from N successive polls. Again, the timeout should be on the order of a minute, and typically N is 2.

NOTE:不同系统实现 ARP 缓存的机制不同,管理缓存有效期的方法也会有差异,并不能假设所有的系统都会使用上面的方法来验证缓存的有效性。

如果目的 IP 对应的机器不存在?

上面试验了正常通信情况下的 ARP 报文过程,如果目标地址不存在,ARP 协议又是怎么工作的呢?

我在自己的机器中做了实验,ping 一台不存在的主机,可以看到 ping 程序每隔一秒发送一个 icmp 报文,对应的结果是 Destination Host Unreachable:

➜  ~ ping 172.16.13.20
PING 172.16.13.20 (172.16.13.20) 56(84) bytes of data.
From 172.16.13.16 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 172.16.13.16 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 172.16.13.16 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable
From 172.16.13.16 icmp_seq=4 Destination Host Unreachable
From 172.16.13.16 icmp_seq=5 Destination Host Unreachable
From 172.16.13.16 icmp_seq=6 Destination Host Unreachable
......

此时,使用 wireshark 抓包,发现网络上的 ARP 报文如下所示:

向不存在的主机发送 ping 请求

和 ICMP 报文类似,ARP 请求也会每秒都会发送,但是一直接收不到应答。

Gratuitous ARP

除了标准的 ARP 之外,还有一种特殊的 ARP 报文,称为 Gratuitous ARP(免费 ARP)。这个报文也是广播报文,它的特殊性在于,它的报文中发送端 IP 地址和接收端 IP 地址都被设置为发送该报文的主机 IP。为什么要有这样一个特殊的报文呢?因为它有用,比如:

  • 检测 IP 冲突。如果免费 ARP 请求接收到应答,说明当前网络上有另外一个和发送机器有相同 IP 的主机
  • 可以用来更新网络中当前机器的 ARP 缓存。如果机器重新配置了 IP 地址,那么免费 ARP 报文能够把新的 IP-MAC 匹配关系广播到网络中,接收到报文的机器更新自己的 ARP 缓存记录,这样就不会有因为 ARP 缓存失效导致的网络问题

如果机器 A 重新配置了 IP 地址,那么 的对应关系就发生了变化,网络中保存的旧 ARP 表项都失效,无法继续使用,会导致 ping 错误。Linux 系统中可以使用 `arping` 命令行来发送 Gratuitous ARP,让网络中所有主机更新当前机器的 ARP 记录:

➜  ~  arping -A -I eth0 172.16.42.161

这个命令就是把机器上 eth0 绑定的 MAC 地址和 172.16.42.161 作为 ARP 记录发送出去。

ARP 的缺陷

ARP 协议很简单,通过缓存机制和 Gratuitous ARP 能够提供便利和高效的地址解析功能。尽管如此,和所有的网络协议一样,它并不是完美的,根据上面的解析,我们知道能发现它的两个不足之处:

  1. ARP 报文没有任何认证,假设所有的机器都可靠而且诚信,所以 ARP 报文(尤其是应答)可以伪造。(窃听报文,或者报文转发)-> ARP spoofing
  2. ARP 报文没有状态,机器可以在没有收到请求的时候直接发送应答。虽然特性能够有效地来更新 ARP 记录,也可能被恶意利用

ARP 报文另外一个让人迷惑的地方在于它在网络协议栈的位置:它既不属于二层(数据链路层),因为它不能把用户数据发送到目的机器,而且它其实是包在以太网帧里面;但它也不是三层(网络层),因为它没有在网络中寻路的功能。它是介于二层和三层之间,更像是润滑剂的功能,帮助二层和三层正常工作。

这是网络协议栈非常重要的一个特性,网络协议是非常实用性的。每个协议的产生为为了解决某个现实的问题,因为历史局限和现实设计问题,它可能并不完美,但是不妨碍它为我们提供服务。

参考资料

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