补—数据链路层

六、ARP协议

6.1 定义

ARP（地址解析协议）是一个比较特殊的协议——它介于数据链路层和网络层之间，既不是纯粹的数据链路层协议，也不是纯粹的网络层协议。

ARP的作用：建立主机IP地址和MAC地址的映射关系

为什么需要ARP？

• 网络通信时，源主机知道目的主机的IP地址和端口号，但不知道目的主机的硬件地址

• 数据包是先被网卡硬件接收，再交给上层协议处理的

• 因此，在通信之前，必须先获得目的主机的MAC地址

6.2 工作流程

可以概括为：广播请求，单播应答。

具体步骤：

1、主机A想和主机B通信，知道B的IP地址，但不知道B的MAC地址

2、主机A发送ARP请求包，以广播形式发送到整个局域网：

• 以太网帧目的MAC填 FF:FF:FF:FF:FF:FF

• ARP请求中包含：发送端IP、发送端MAC、目标IP、目标MAC

• 请求内容："IP地址是172.20.1.2的主机，你的MAC地址是多少？"

3、同一网段的所有主机都收到这个广播请求，但只有IP地址匹配的主机B会处理

4、主机B发送ARP应答包，以单播形式直接回给主机A：

• 以太网帧目的MAC填主机A的MAC地址

• ARP应答中包含：发送端IP、发送端MAC

• 应答内容："我就是172.20.1.2，我的MAC地址是08:00:20:74:CE:EC"

5、主机A收到应答后，就知道了主机B的MAC地址，可以正常通信了

6.3 缓存表

每次通信都发ARP请求？那也太低效了。实际上，每台主机都维护一个ARP缓存表，用来存放最近学到的IP-MAC映射关系。

查看ARP缓存表：

$ arp -a gateway (192.168.1.1) at 10:bd:18:08:af:62 [ether] on enp0s3 ? (192.168.1.107) at e4:f8:9c:be:af:41 [ether] on enp0s3

两个问题：

Q1：为什么要有缓存表？
如果每次通信都发ARP请求，网络上会充斥大量ARP广播，效率很低。有了缓存表，大部分通信直接查表就能拿到MAC地址，不需要每次都请求。

Q2：为什么表项要有过期时间而不是一直有效？
因为网络环境是动态的——主机可能更换网卡、可能更换IP地址、可能下线了。如果缓存永久有效，就会出现"IP还对应着旧MAC"的问题，导致通信失败。

6.4 数据报格式

ARP报文封装在以太网帧中传输，其格式如下：

各字段含义：

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求/应答报文中各出现了一次。对于以太网来说确实有些冗余，但ARP协议设计时考虑了通用性——如果链路层不是以太网，而是其他类型的网络，这两份地址就不一定相同了。

6.5 在局域网中的完整过程

场景说明：

• 局域网中有多台主机（A、B、C、D、E）和一台路由器（网关）

• 路由器连接外网和局域网

• 路由器的接口有IP地址和MAC地址

• 主机A想和外网通信，需要先把数据发给网关路由器，因此需要知道网关的MAC地址

• 主机A发送ARP广播请求"谁是网关IP？请告诉我你的MAC地址"

• 路由器收到后，以单播形式回复自己的MAC地址

• 主机A学到网关的MAC后，就可以把发往外网的数据先封装到目的MAC为网关MAC的帧中，交给路由器转发

七、欺骗原理

7.1 本质

ARP协议设计时没有任何认证机制——主机收到ARP应答后，不管这个应答是不是自己请求的，都会直接用应答中的IP-MAC映射更新自己的ARP缓存表。

这就是ARP欺骗得以实现的根本原因：攻击者可以伪造ARP应答包，让目标主机的ARP缓存中写入错误的IP-MAC映射，从而把流量劫持到攻击者的机器上。

7.2 三步骤

步骤一：正常通信状态

正常情况：

• 主机A的ARP缓存中：网关IP→ 网关MAC

• 网关R的ARP缓存中：主机A的IP→ 主机A的MAC

• 主机A和网关之间正常通信，流量直接走网关

步骤二：攻击者发送伪造ARP应答

攻击者主机M开始行动：

• 主机M向主机A大量发送伪造的ARP应答："我是网关IP，我的MAC地址是macM"

• 主机M同时向网关R大量发送伪造的ARP应答："我是主机A的IP，我的MAC地址是macM"

• 因为ARP没有认证，主机A和网关R都会更新自己的ARP缓存

• 更新后：

  • 主机A认为：网关IP → macM

  • 网关R认为：主机A的IP → macM

步骤三：中间人攻击形成

此时，主机M就成了中间人：

• 主机A发往网关的数据 → 目的MAC是macM → 数据先到了主机M

• 网关发往主机A的数据 → 目的MAC是macM → 数据也先到了主机M

• 主机M可以选择转发数据，也可以选择不转发

• 主机A和网关都以为在和对方直接通信，实际上所有流量都经过了攻击者

ARP欺骗的危害极大，攻击者可以：窃听敏感信息、篡改数据、植入恶意代码、进行DNS劫持等。这也是局域网安全中一个非常经典的攻击手段。

7.3 防御方案

针对ARP欺骗，常见的防御手段有以下几种：

方案一：静态ARP绑定

原理：手动在主机和网关设备上配置静态的IP-MAC映射，静态ARP表项不会被动态ARP应答更新。

配置示例：

# 查看当前ARP表 $ arp -a # 添加静态ARP绑定（网关IP和网关MAC） $ arp -s 192.168.1.1 10:bd:18:08:af:62 # 删除静态ARP绑定 $ arp -d 192.168.1.1

优点：简单直接，效果可靠

缺点：大型网络中配置和维护成本高，设备更换网卡或IP时需要手动更新

适用场景：小型网络、关键服务器

方案二：交换机端口安全

原理：在交换机端口上配置允许接入的MAC地址数量，甚至绑定特定MAC地址，防止伪造MAC地址的设备通信。

配置示例：

[Switch] interface GigabitEthernet 0/0/1 [Switch-GigabitEthernet0/0/1] port-security enable [Switch-GigabitEthernet0/0/1] port-security max-mac-num 1 [Switch-GigabitEthernet0/0/1] port-security protect-action restrict

适用场景：企业级网络，接入层交换机部署

方案三：DAI

原理：交换机结合DHCP Snooping绑定表，检查ARP报文中的源IP和源MAC是否匹配绑定表，不匹配则丢弃。

方案四：ARP防火墙软件

在主机上安装ARP防火墙，软件会主动检测ARP应答的合法性，拦截伪造的ARP包。

适用场景：个人用户、公共WiFi环境

各个方案对比