ARP协议图文详解，包含完整测试代码

当主机要向局域网中的另一台主机发送数据时，需要知道目标主机的MAC地址。ARP协议就是用来解析目标主机的MAC地址的。主机会广播一个ARP请求包，请求目标主机回应自己的MAC地址。目标主机接收到请求后会返回一个ARP响应包，包括自己的MAC地址。这样，请求主机就可以通过MAC地址向目标主机发送数据了。

2.ARP工作原理

图 1 ARP工作原理

2.1 局域网通信

局域网主机A和主机B通信，如果双方原来没有通信过，主机A只知道主机B的IP地址，不知道主机B的MAC地址，此时主机A和主机B无法正常通信。

局域网通信的基础通信双方都得知道对方的MAC地址，MAC地址通常是存储在主机的ARP表中。

此时主机A会尝试去获取主机B的MAC地址，获取的MAC地址的方式是发送ARP请求（以广播形式发送），主机B如果收到ARP请求会回复ARP响应给主机A。

主机A收到响应后会把主机B的IP和MAC地址记录在ARP表中，此时主机A能够发送数据给主机B，主机B因为收到主机A的ARP请求，通过ARP请求知道主机A的MAC地址，把主机A的IP和MAC地址记录在ARP表中，主机B也能给主机A发送数据，正阳主机A和主机B就能正常通信。

2.2 跨网段通信

主机A要访问一个公网主机，由于主机A和公网主机IP地址不再同一网段，此时需要用到路由功能，路由功能后续章节会详细介绍。

我们只要记住一个核心点，路由功能核心作用就是找到去往目的IP的网关IP地址。

网关IP地址必须和主机A处于同一局域网。找到网关IP地址的目的是为了获取网关MAC地址，获取到网关MAC地址，可以通过网关MAC地址把数据包发送给网关，让网关转发数据包至公网。

如果通过网关IP获取到网关MAC地址可以参考局域网通信。

跨网段通信流程：

步骤1：通过路由查找到网关IP地址

步骤2：如果不知道网关MAC地址，需要通过ARP协议获取到网关MAC地址。

步骤3：把网关MAC地址填入以太网报文头部，将数据包发给网关。

步骤4：网关转发数据包至公网。

3.ARP协议解析

3.1 ARP报文结构

图 2 ARP报文结构

硬件类型：2字节，表示使用的网络类型，例如以太网、令牌环等。
协议类型：2字节，表示使用的协议类型，例如IPv4、IPX等。
硬件地址长度：1字节，表示硬件地址的长度，例如以太网地址长度为6字节。
协议地址长度：1字节，表示协议地址的长度，例如IPv4地址长度为4字节。
操作码：2字节，表示ARP请求（数值为1）或ARP响应（数值为2）。
发送方硬件地址：6字节，表示发送方的硬件地址。
发送方协议地址：4字节，表示发送方的协议地址。
目标硬件地址：6字节，表示目标的硬件地址。
目标协议地址：4字节，表示目标的协议地址。

3.2 ARP请求

图 3 ARP请求报文

ARP请求各个字段如何填充如上图：

硬件类型：1，ARPHRD_ETHER类型

协议类型：0x8000，IPv4协议

硬件地址长度：6字节，MAC地址长度

协议地址长度：4字节，IP地址长度

操作码：1，ARP请求码

发送方MAC地址：14:23:0a:39:e3:75

发送方IP地址：192.168.1.1

目的MAC地址：00:00:00:00:00:00

目的IP地址：192.168.1.19

3.3 ARP响应

图 4 ARP响应报文

ARP响应各个字段如何填充如上图：

硬件类型：1，ARPHRD_ETHER类型

协议类型：0x8000，IPv4协议

硬件地址长度：6字节，MAC地址长度

协议地址长度：4字节，IP地址长度

操作码：2，ARP响应

发送方MAC地址：00:93:37:5b:d9:2f

发送方IP地址：192.168.1.19

目的MAC地址：14:23:0a:39:e3:75

目的IP地址：192.168.1.1

4.ARP攻击

图 5 ARP攻击

ARP攻击（Address Resolution Protocol attack）是一种网络攻击方式，它利用ARP协议进行攻击，通过伪造或欺骗网络中的ARP响应包，将合法网络设备的IP地址映射到攻击者所控制的设备上，从而使攻击者可以窃取或篡改网络中的数据流量。

ARP攻击可以分为两种类型，一种是ARP欺骗（ARP Spoofing），另一种是ARP投毒（ARP Poisoning）。

4.1 ARP欺骗

攻击者会向网络中的设备发送伪造的ARP响应包，使其将攻击者所控制的设备的MAC地址当作目标设备的MAC地址，从而使攻击者可以拦截、篡改或窃取网络中的数据流量。

4.2 ARP投毒

攻击者会向网络中的设备发送大量的伪造ARP响应包，从而使网络设备的ARP缓存被攻击者所控制的设备所替换，这样一来，攻击者就可以直接访问目标设备，而无需再进行ARP欺骗攻击。

4.3 如何预防ARP攻击？

a.使用静态ARP表：将网络设备的IP地址和MAC地址的映射关系手动输入到静态ARP表中，可以防止攻击者篡改ARP响应包。

b.使用端口安全（Port Security）：在交换机上配置端口安全，限制每个端口能够连接的MAC地址数量，可以有效地防止ARP攻击。

c.使用ARP防火墙（ARP Firewall）：ARP防火墙可以监控网络流量中的ARP请求和响应包，并根据预设的规则进行过滤和阻断，从而有效地防止ARP攻击。

d.加密网络流量：使用加密技术（如SSL、TLS等）对网络流量进行加密，可以防止数据被窃听和篡改，从而有效地保护网络安全。

5.ARP编程示例

5.1 ARP请求示例代码

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/udp.h> #include <netinet/ip.h> #include <linux/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <linux/if_packet.h> #include <linux/if_ether.h> #include <linux/if_arp.h> uint8_t src_mac[ETH_ALEN] = {0x08,0x00,0x27,0x06,0x38,0xba}; uint8_t nexthop_mac[ETH_ALEN] = {0x08,0x00,0x27,0xc1,0xdf,0xea}; #define LOCAL_IP "192.168.1.18" #define PEER_IP "192.168.1.19" #define MAX_BUF_SIZE (2048) #define IP_ADDR_LEN (4) struct _arphdr { __be16 ar_hrd; __be16 ar_pro; unsigned char ar_hln; unsigned char ar_pln; __be16 ar_op; unsigned char ar_sha[ETH_ALEN]; unsigned char ar_sip[4]; unsigned char ar_tha[ETH_ALEN]; unsigned char ar_tip[4]; }; uint32_t create_pack(char *buf) { struct ethhdr *eh = (struct ethhdr *)buf; memcpy(eh->h_dest, nexthop_mac, ETH_ALEN); memcpy(eh->h_source, src_mac, ETH_ALEN); eh->h_proto = htons(ETH_P_ARP); struct _arphdr *ah = (struct _arphdr *)(buf + ETH_HLEN); ah->ar_hrd = htons(ARPHRD_ETHER); ah->ar_pro = htons(ETH_P_IP); ah->ar_hln = ETH_ALEN; ah->ar_pln = IP_ADDR_LEN; ah->ar_op = htons(ARPOP_REQUEST); memcpy(ah->ar_sha, src_mac, ETH_ALEN); uint32_t src_ip = inet_addr(LOCAL_IP); memcpy(ah->ar_sip, &src_ip, IP_ADDR_LEN); memcpy(ah->ar_tha, nexthop_mac, ETH_ALEN); uint32_t peer_ip = inet_addr(PEER_IP); memcpy(ah->ar_tip, &peer_ip, IP_ADDR_LEN); return ETH_HLEN + sizeof(struct _arphdr); } int main(int argc , char *argv[]) { int ret; int sockfd; char send_buf[MAX_BUF_SIZE] = {0}; struct sockaddr_ll local; struct sockaddr_ll peer; sockfd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP)); if (sockfd == -1) { perror("socket error"); return -1; } bzero(&peer, sizeof(struct sockaddr_ll)); peer.sll_family = PF_PACKET; peer.sll_protocol = htons(ETH_P_ARP); peer.sll_ifindex = 2; peer.sll_hatype = ARPHRD_ETHER; peer.sll_pkttype = PACKET_OTHERHOST; peer.sll_halen = ETH_ALEN; memcpy(peer.sll_addr, nexthop_mac, ETH_ALEN); uint32_t slen = create_pack(send_buf); while(1) { ret = sendto(sockfd, send_buf, slen, 0, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer)); if (ret <= 0) { printf("sendto ret:%d, errno:%d(%s)\n", ret, errno, strerror(errno)); break; } sleep(1); } close(sockfd); return 0; }

5.2 ARP响应示例代码

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <linux/in.h> #include <linux/if_packet.h> #include <linux/if_ether.h> #include <linux/if_arp.h> uint8_t src_mac[ETH_ALEN] = {0x08,0x00,0x27,0xc1,0xdf,0xea}; uint8_t nexthop_mac[ETH_ALEN] = {0x08,0x00,0x27,0x06,0x38,0xba}; #define LOCAL_IP "192.168.1.19" #define PEER_IP "192.168.1.18" #define IP_ADDR_LEN (4) #define MAX_BUF_SIZE (2048) struct _arphdr { __be16 ar_hrd; __be16 ar_pro; unsigned char ar_hln; unsigned char ar_pln; __be16 ar_op; unsigned char ar_sha[ETH_ALEN]; unsigned char ar_sip[4]; unsigned char ar_tha[ETH_ALEN]; unsigned char ar_tip[4]; }; void print_arp(char *msg, const char *buf) { struct _arphdr *ah = (struct _arphdr *)(buf + ETH_HLEN); printf("%s\n" "硬件类型：%u\n" "协议类型：%u\n" "硬件地址长度：%u\n" "协议地址长度：%u\n" "操作码：%u\n" "发送方硬件地址：%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx\n" "发送方协议地址：%02hx.%02hx.%02hx.%02hx\n" "接收方硬件地址：%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx\n" "接收方协议地址：%02hx.%02hx.%02hx.%02hx\n", msg, ntohs(ah->ar_hrd), ntohs(ah->ar_pro), ah->ar_hln, ah->ar_pln, ntohs(ah->ar_op), ah->ar_sha[0], ah->ar_sha[1], ah->ar_sha[2], ah->ar_sha[3], ah->ar_sha[4], ah->ar_sha[5], ah->ar_sip[0], ah->ar_sip[1], ah->ar_sip[2], ah->ar_sip[3], ah->ar_tha[0], ah->ar_tha[1], ah->ar_tha[2], ah->ar_tha[3], ah->ar_tha[4], ah->ar_tha[5], ah->ar_tip[0], ah->ar_tip[1], ah->ar_tip[2], ah->ar_tip[3]); } int parse_pack(char *msg, char *buf) { print_arp(msg, buf); return 0; } uint32_t create_pack(char *sbuf, char *rbuf) { struct ethhdr *eh = (struct ethhdr *)sbuf; memcpy(eh->h_dest, nexthop_mac, ETH_ALEN); memcpy(eh->h_source, src_mac, ETH_ALEN); eh->h_proto = htons(ETH_P_ARP); struct _arphdr *rah = (struct _arphdr *)(rbuf + ETH_HLEN); struct _arphdr *ah = (struct _arphdr *)(sbuf + ETH_HLEN); ah->ar_hrd = htons(ARPHRD_ETHER); ah->ar_pro = htons(ETH_P_IP); ah->ar_hln = ETH_ALEN; ah->ar_pln = IP_ADDR_LEN; ah->ar_op = htons(ARPOP_REPLY); memcpy(ah->ar_sha, src_mac, ETH_ALEN); uint32_t src_ip = inet_addr(LOCAL_IP); memcpy(ah->ar_sip, &src_ip, IP_ADDR_LEN); memcpy(ah->ar_tha, rah->ar_sha, ETH_ALEN); memcpy(ah->ar_tip, rah->ar_sip, IP_ADDR_LEN); return ETH_HLEN + sizeof(struct _arphdr); } bool isvalid(const char *buf) { struct ethhdr *eh = (struct ethhdr *)buf; if (ntohs(eh->h_proto) == ETH_P_ARP) return true; return false; } int main(int argc , char *argv[]) { int ret; int sockfd; char send_buf[MAX_BUF_SIZE] = {0}; char recv_buf[MAX_BUF_SIZE] = {0}; struct sockaddr_ll peer; socklen_t peerlen = 0; sockfd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP)); if (sockfd == -1) { perror("socket error"); return -1; } bzero(&peer, sizeof(struct sockaddr_ll)); peer.sll_family = PF_PACKET; peer.sll_protocol = htons(ETH_P_ARP); peer.sll_ifindex = 2; peer.sll_hatype = ARPHRD_ETHER; peer.sll_pkttype = PACKET_OTHERHOST; peer.sll_halen = ETH_ALEN; memcpy(peer.sll_addr, nexthop_mac, ETH_ALEN); while(1) { memset(recv_buf, 0, MAX_BUF_SIZE); ret = recvfrom(sockfd, recv_buf, MAX_BUF_SIZE, 0, NULL, NULL); if (ret <= 0) { printf("recvfrom ret:%d error\n", ret); break; } else { bool bret = isvalid(recv_buf); printf("ret:%d, bret:%d\n", ret, bret); if (bret == false) { continue; } parse_pack("recv buf", recv_buf); memset(send_buf, 0, MAX_BUF_SIZE); int slen = create_pack(send_buf, recv_buf); slen += 18; printf("sendbuf len:%d\n", slen); ret = sendto(sockfd, send_buf, slen, 0, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer)); if (ret <= 0) { printf("sendto ret:%d error:%d(%s)\n", ret, errno, strerror(errno)); break; } } } close(sockfd); return 0; }

6.Linux ARP调试

6.1 查看ARP表

ip neigh

6.2 手动添加ARP表项

ip neigh add 192.168.1.19 dev enp0s3 lladdr 08:00:27:c1:df:ea

6.3 删除ARP表项

ip neigh del 192.168.1.19 dev enp0s3 lladdr 08:00:27:c1:df:ea

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