day14、1 - 网络层--ARP协议

一、ARP协议

1.广播与广播域

• 广播：将广播地址做为目的地址的数据帧

• 广播域：网络中能接收到同一个广播所有节点的集合（表示一个范围）

• 广播地址：

  • MAC广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

    交换机也可以发送广播，但是如果只有IP广播地址，由于交换机是二层设备，不知道第三层的IP包头中的IP广播地址，所以还需要一个二层广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF告诉二层设备该帧是需要广播的

  • IP广播地址：①255.255.255.255；②该网段的最后一个地址属于广播IP地址—如192.168.1.255/24

• 目前为止，我们学过哪些情况需要广播：①DHCP协议自动获取IP时，需要发送广播包，②交换机收到帧，MAC地址表中没有对应的MAC地址记录时，需要广播

• 广播域越小越好：为什么呢？因为如果一个广播域中有很多台PC，假如每台PC都会发广播，那么在这个广播域中的每台主机会受到很多无用的广播信息，无非加大工作量去处理无效的信息。所以如果在一个大型公司内部规划网络，是需要考虑广播域的划分大小的

• 交换机无法控制广播，路由器可以隔绝广播，即路由器可以隔绝广播域，所以广播只能在内网中传播

• 如何隔绝广播域：

  1. 使用物理隔离：由于路由器可以有隔绝广播域的作用（后面会学习原理），所以如果大型网络中有很多PC，可以购买多个路由器来隔离广播域，但是开销巨大且费时费力，不推荐
  2. 通过vlan技术隔绝广播域

2.ARP协议概述

1）什么是ARP协议

• Address Resolution Protocol，地址解析协议
• ARP协议只能在内网传播，属于内网协议

2）为什么需要ARP协议

• 我们前面学习TCP/IP五层协议栈的数据封装时，讲到当第三层将封装好的报文传到第二层数据链路层，数据链路层需要封装帧头和帧尾，帧头中包含信息：自己的MAC地址，目标的MAC地址，类型。只有知道这全部的信息，才能封装好发到物理层，从网卡发出去。那么电脑是如何得知对方的MAC地址的，就要用到ARP协议！

3）ARP协议作用

• 将一个已知的IP地址解析成MAC地址

3.ARP协议原理

1）ARP广播请求

• 在同一个局域网中有两台PC，PC1想向PC2通信，PC1将信息传到第四层在首部添加TCP/UDP头封装成数据段，发到第三层在首部添加IP包头封装成报文通过IP协议发到第二层，第二层现在无法将报文封装成帧，因为帧头中应该包含目标MAC地址，而此时还不知道PC2的MAC地址。

• 那么三层会通过ARP协议（跟IP和ICMP无关）直接生成一个ARP请求解析报文，又称ARP请求报文，ARP请求报文中内容为：①我的IP是xx，②我的MAC地址是xx，③谁是目标IP，④你的MAC地址是多少。再将ARP请求报文发到第二层

• 第二层一看是ARP请求报文，所以会将ARP请求报文通过广播发送，即封装成帧时，帧头中目标MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF（MAC广播地址），源MAC为自己的MAC，类型值为0x0806。将封装好的帧从网卡通过物理层发送到交换机

• 交换机收到帧后解封装得知目标MAC地址为MAC广播地址，所以会将此帧广播出去

• 当PC2收到此帧后，传到第四层得到目标MAC地址为MAC广播地址且类型值为0x0806，所以会继续解封装送到网络层的ARP协议，通过ARP协议得到ARP请求报文的内容，发现目标IP是自己

  当其他不相干的PC收到这个帧，传到第四层得到目标MAC地址为MAC广播地址且类型值为0x0806，所以会继续解封装送到第三层的ARP协议，第三层通过ARP协议解析到ARP请求报文的内容，发现IP地址不是自己，所以此时会将此报文丢弃

2）ARP单播应答

• PC2得到ARP请求报文内容后发现IP是自己，那么会通过ARP协议再生成一个ARP单播应答报文，内容为：①我的IP就是你要找的IPxx，②我的MAC地址为xx。将此报文发到第二层，第二层将ARP单播应答报文封装成帧，帧头的目标MAC即为对方的（收到时ARP广播请求报文中含有对方的MAC地址），源MAC为自己，类型值为0x0806。再从网卡通过网线发送给交换机
• 交换机收到后，通过MAC地址表将此帧转发给PC1
• PC1收到帧后第四层得到目标MAC地址为自己的MAC，且根据类型值0x0806将帧解封装送到第三层的ARP协议，第三层通过ARP协议解析得到了ARP单播应答报文中对方的MAC地址为xx，那么此时会将对方的MAC地址告诉第四层，第四层将目标MAC地址封装到帧头，此时一个完整的帧就生成了，那么会经过网卡将帧发出去

ARP协议通过广播来实现的，所以ARP协议碰到路由器就被干掉了，ARP为内网协议，只能在内网传播。

3）形成ARP缓存

• 当PC1收到ARP单播应答后，会将学习到的对方的MAC地址存到缓存中，以后与目标IP主机通信，就不会再去请求。此时得到的缓存为ARP缓存（只要没到老化时间、保持通信、没有关机，缓存就会一直存在）

4.windows中ARP相关命令

• arp -a：查看本机ARP缓存表
• arp -d：清除ARP缓存
• arp -s：ARP绑定（其实绑定了再关机开机也会消息）

二、ARP攻击和欺骗

1.ARP攻击或欺骗的原理

• 通过发送伪造虚假的ARP报文（广播或单播），来实现的攻击或欺骗！
  • 如虚假报文的mac是伪造的不存在的，实现ARP攻击，结果为中断通信/断网！
  • 如虚假报文的mac是攻击者自身的mac地址，实现ARP欺骗，结果可以监听、窃取、篡改、控制流量，但不中断通信！

2.易于用ARP攻击的原因

• ARP协议没有验证机制，所以ARP攻击者易于通过发送虚假伪造的arp报文对受害者进行ARP缓存投毒

3.ARP攻击举例

1）伪造虚假的ARP单播应答报文

• 阻断局域网内双发的通信

  • 现在小周想与小白通信，小周会发送ARP请求报文：问谁是小白（IP），你的MAC地址是多少？当交换机收到后会将此帧在局域网内广播，如果现在老王想搞破坏，收到ARP请求广播后，使用一些工具，发送一个伪造的ARP单播应答报文，当中的MAC地址是伪造的，内容是：我是小白，我的MAC地址是xxx（伪造MAC）。真正的小白也会发送ARP单播应答。两个ARP单播应答都会通过交换机发送到小周的主机
  • 现在小周的主机收到两个ARP应答，两个都说自己是小白，但是MAC地址不同，PC会把后接收到的ARP应答中的MAC地址作为对方的MAC地址封装到帧头中。所以如果老王的ARP应答晚于小白的ARP应答到达，那么小周就会用老王伪造的虚假的MAC地址与小白通信。小白就永远收不到小周的消息。由此可见ARP攻击可以阻断局域网内两个人之间的通信
  • 也可能小周的主机后收到小白的ARP应答，那么就可以正常通信。但是如果老王不断的发送伪造的ARP应答，那么也会阻断两者之间的通信

• 阻断与网关的通信–断网

  • 当主机要与某设备通信，会先判断目标IP地址与自己是否是同一网段，如果是直接向对方发送ARP请求广播；如果不在同一网段，那么主机要与网关通信，通过网关将数据转发到其他的网段。假如现在小周想上百度，就要和百度的网页服务器通信，主机先判断目标IP地址与自己不在同一网段，所以会发送ARP请求报文，目标IP为网关，向网关通信询问网关的MAC地址。交换机收到后也会将帧在局域网内广播，如果现在老王伪造一个ARP应答报文：我就是网关，我的MAC地址是xxx（伪造的）。同样的网关收到后也会发送ARP单播应答。两个ARP应答都通过交换机发送到小周主机
  • 假如现在小周后收到老王伪造的ARP应答，那么就会把伪造的MAC地址作为网关的MAC地址封装到帧头，然后发送给一个不存的MAC地址，那么小周的主机就无法和百度服务器通信，其他的上网活动也都无法进行

2）伪造虚假的ARP请求广播报文

• 现在老王伪造ARP请求报文，内容是：我是网关（IP），我的MAC地址是xx（虚假的），谁是xxx（IP），你的MAC地址是。然后封装好发送出去给交换机，交换机收到后会将此帧广播出去
• 局域网内的人收到广播后，会解封装将ARP请求报文送到三层ARP协议解析，虽然自己的IP不是此报文中的目标IP，但是得到网关的IP和虚假的网关的MAC地址，那么在主机上形成ARP缓存。那么此后所有的主机要想上网都会去和网关通信，但是现在ARP缓存中的网关的MAC地址是老王伪造的，那么此局域网内的所有主机都无法上网了

4.ARP欺骗举例

• 原理与ARP攻击类似，只是将虚假的MAC地址换成了自己的MAC地址。现在小周与小白通信，小周发送ARP请求广播，通过交换机将帧在局域网内广播，此时老王收到了你的ARP请求，伪造一个ARP单播应答报文，MAC地址写自己真实的MAC地址，然后再经过交换机发送到小周的主机，将老王的MAC地址作为小白的MAC，那么所有帧都会发到老王的主机上去
• 老王收到后可以对帧的内容等信息做监听，篡改，控制等。然后再将此帧发给真正的小白。同理小白发送给小周的信息也可以被老王截获做相关操作，再转发给小周。那么老王就成为了中间人。