三十天学不会TCP,UDP/IP网络编程-ARP -- 连接MAC和IP

由于这两年接触到了比较多的这方面的知识，不想忘了，我决定把他们记录下来，所以决定在GitBook用半年时间上面写下来，这是目前写的一节，目前已完成了九篇啦。后面会在gitbook上不断更新，欢迎大家star，主要是在写完之前欢迎各位给出指正的意见。最最重要的，地址在这里：https://www.gitbook.com/book/rogerzhu/-tcp-udp-ip/，或者在gitbook上搜索“三十天学不会TCP,UDP/IP编程”。

我

觉得我要以一个真实的故事来开始这一部分。在我上大二的时候，突然从某一天开始，我们那层连着的6个寝室全都不能上网了，但是有时候又能短暂的上一会儿网，没有规律。不过有一个同学例外，虽然他也处在这6个寝室之中，但无论何时他都能上网。我们很苦闷，于是他那段时间挨个寝室炫耀自己可以上网。就这样过了大约一个星期，后来他们寝室另外三个人突然发现一个规律，只要这个同学没有插网线我们就能上网，只要他一插网线我们就全完了。在用他的电脑做了几次开关机时间之后，我们确认了这个事实。这是个不得了的发现呐，考虑到之前他太高调了，我们6个寝室的人勒令他不允许开电脑，哈哈。但是我们还是有良心的，开始在网上搜索资料，后来架不住人(mei)多(wang)力(shang)量(bu)大(xing)，我们在茫茫互联网资料中，搜索到了两个词“arp欺骗”和“arp病毒”。特别是想到那位同学前几天炫耀的表情，在兴(fen)趣(nu)的指引下，我们认真学习了其原理，确认了确实是那位同学的锅。然后下载了个杀毒软件，给那位同学的电脑彻底的杀毒，从此上面的现象再也没有出现过了。而且在后面长达一周的时间内，我们每天必做的一件事就是去问候一下那位同学，哈哈。

ARP是什么？

ARP学名Address Resolution Protocol，从英文上看意思已经跃然纸上了。地址解析协议，解析啥呢，解析IP地址到MAC地址。为什么要这么做呢，因为两个计算机通信本质上是通过MAC地址来识别对方的。我觉得在避免陷入一个协议复杂的细节之前，可以先从一个宏观上面弄明白协议的整个流程是什么样的，是时候再一次献上我的手绘版了。

ARP协议主要在两个场景下有所使用，第一个犹如图中绘制的，某一段想向另一端发送数据包之前，需要通过ARP协议来知晓对方的的地址，具体用文字描述就是如下：

首先，发送端会发出一个ARP请求以太网报文，由于现在发送端还不知道对端的MAC地址，所以ARP的请求报文利用了链路层广播，使得局域网内所有的主机都能接受到这个信息，这就像我们小时候站在别的班教室门口找人一样，大喊，谁谁谁，有人找你，所有人都能听到，但是只有正确的谁谁谁才会发出响应。

按照这个逻辑，回忆一下，其实就是点击一下“MAC地址与数据链路层”里介绍的数据链路层以太网帧格式，其中以太网头部填上目标链路层广播MAC地址，也就是在前一节里已经介绍过的全FF,接下来的填入自己的MAC地址，剩下的帧类型是0x0806,标识ARP协议。

接下来就是数据部分了，在ARP协议的数据部分， 要填入的数据类型的很多， 我想以一个表格的形式来表示会比较清晰（表中黑体部分标识以太网帧头部分，普通字体表示数据部分）：

当这个请求数据帧构造后之后，发送端将其发送给整个网络，接下来的局域网中所有接口卡都会读入这个帧，但是在驱动程序读到数据部分的目标IP地址之后发现与自己的IP地址并不匹配，所以就什么也不做，简单的丢弃这个帧就好。直到正确的对端出现，他发现这个帧里面的IP地址就是自己，于是下面他就需要构造一个ARP应答帧。

这个应答帧的组成绝大部分和上表列出的一样，不同的只有这几点：

1. 目标以太网地址不再是全FF的广播地址，而是刚才发送端A的MAC地址，因为该应答端B已经从A的ARP请求帧的数据部分可以知道A的MAC地址，没必要再广播了。
2. 操作码改为2,2表示ARP应答。
3. 其余将所有"发送端”相关的都填自己（B）的信息，目标端都填要回复的那一端的信息（A），这一点是显而易见的。

当应答帧构造完毕发送出去以后，A的网卡驱动程序就能筛选出发给自己应答帧，里面含有他需要的对端的B的MAC地址信息。这时候以备以后使用，A会把这个信息写入自己的一个cache里面存起来，这个缓存会有个老化机制，会定期淘汰很久没用的，这样可以保持这个表不至于太庞大，加快查询速度。这样下次再想和B通信的时候就不用再一次的广播消息重走长征路了，占用带宽而且也没有必要。而这个缓存信息，在每个机器上都能看到，在windows上用arp -a命令，在linux上使用arp命令就可以看到。

这里有个有趣的现象，我的局域网的广播地址对应的物理地址是全ff，这一点我在上一节也说过了，链路层广播地址和IP层次的广播地址没有完全直接的关系，可能好几类的IP层次的广播地址映射的都是全ff的链路层广播地址。

按照惯例，我会截图截个wireshark的数据包来看一下实际中的包表示标准没有欺骗我们，那么当然这一次也不例外：

看看wireshark这个相当用户友好化的界面说明，我的电脑要找到局域网的路由器的地址，先霸气的在网络里大叫，“谁TM的拥有192.168.8.1,告诉我192.168.8.124”，而且注意第一个消息的地址是Broadcast，是一个广播消息，接下来，路由器做出了应答，“我是192.168.8.1,我的MAC地址是。。。”，这里的发送地址已经准确的是我的电脑了。

为了更一步的看看包里面到底有啥，就选取ARP请求包展开看一下其中内容,对比一下前面表中的内容，又一次发现，标准说明没有骗我们：

前面我说了，ARP协议主要用在两个场景，在上一节中已经介绍了第一个，第二个就是这个翻译的令人感到很困惑的免费ARP了。免费ARP,其实学名是gratuitous ARP， gratuitous这个词主要有三个意思，无端的，没有理由的和免费的。我觉得翻译成另外两个都比免费的这个翻译好。

废话不多说了，那么这个gratuitous ARP到底是干啥的呢？不知道大家有没有遇到过这样一个现象，在公司里用电脑用的好好的，突然会右下角会出现一个气泡提示，说你的IP地址冲突了。这个提示就来源于gratuitous ARP，每个机器在DHCP（后面会详细介绍这个重要协议的）拿到这个IP之后，会向局域网中广播一个ARP请求，但是这个请求中的目标IP地址是自己已经分配了的IP地址，按照前面的逻辑，如果局域网上还有一个主机具有同样的IP地址的主机，那么他就会发送一个回复，而这个回复中会包含自己MAC地址。发送端如果接收到这么一个回复，那么意味着在网络中有一个和自己一模一样的IP地址的主机，他自己就知道自己的IP地址重复了，于是就会给出这个么一个提示给用户。

ARP欺骗

有了前面这个免费ARP的例子，那么ARP欺骗就很好理解了。只要做一个如下的想象：

如果有一个程序，他可以篡改ARP应答包里的MAC地址，也就是把MAC地址改成自己规定好的主机，那么按照我们上面说的，，发送包在收到这个ARP应答后会把cache起来以防下次再做不必要的努力。那么你以后本来想发送到B的包就会被发到一个指定的主机上，因为数据层的MAC地址已经被邪恶的入侵者所改掉，不会填入B的MAC地址。

这也就是为什么最开始的故事中我们都上不了网，唯独我那一个同学能上网的原因，因为他机器上的ARP病毒将所有包的地址都改为他自己的主机，我们其余的电脑都根本无法完成通信，或者也可能是说根本收不到消息。