ARP 与 DHCP 协议详解与抓包分析

于 2025-03-18 10:34:54 发布
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ARP 与 DHCP 协议详解与抓包分析

首先我们回顾下一个 http 请求的大致流程：

image-20250317163642915

  • 给 http 正文加一层 http 头
  • 给上层报文加一层 tcp 头
  • 给上层报文加一层 ip 头
  • 给上层报文加一层 mac 头

先不思考为什么有这样的层次，以及每一层为什么要这么做，根据上述图片和描述，可以知道一个请求发出，需要添加 ip 地址头和 mac 地址头，如果不添加，这个请求就无法发送出去。

ARP 协议

ARP 协议：Address Resolution Protocol 地址解析协议，既然是地址解析，解析的是什么呢？

答案是根据 IP 地址获取 MAC 地址，为什么需要有这样的协议呢，当我们访问一个域名，例如 www.baidu,com，会由 DNS 服务器解析出对应的 ip 地址，并向对方发送一个请求，请求对应的界面，对方收到后，把界面返回，展示在了电脑上。

但是 DNS 服务只能根据域名解析出 ip 地址，我们在上面说过，一个包的发送一定要加上 mac 头呢，这个 mac 头该怎么获取呢，这里并不是直接靠的 ARP 协议；在获取到对方的 ip 后（假设 ip 是 110.110.110.110），本机会根据自己的 ip 地址和子网掩码与对方的 ip 进行运算（涉及到的概念：CIDR、子网掩码、同一网段），如果在同一网段，说明咱俩离得很近（逻辑上），没必要再发送到网关走路由器，直接在本地大吼一声（发一个包）：谁的 IP 是 110.110.110.110，跟我说下你的 mac 地址，你可能会想：前面不是提到一个包必须有 mac 头才能发出吗，这是怎么发的，有一个特殊的 mac 地址，所有比特位全1（ff:ff:ff:ff:ff:ff）是一个特殊的 mac 地址，局域网内所有的主机在收到后，都要取下 mac 地址看里面的内容。这时 ip 是 110.110.110.110 发现问的是自己，就回复说，这是我的 ip，我的 mac 地址是 aa:aa:aa:aa:aa:aa，主机获取到这个 mac 地址后，就可以加上 mac 头把包发送出去了。

上面有一些注意的点：

  • 根据是否在同一网段走 ARP 协议或发送到网关（获取网关 mac 地址同理，网关 ip 静态配置好了）
  • mac 地址全1（也叫广播地址，ip 全1同理），则局域网内所有主机要拆下来确认内容，注意是局域网，如果不是局域网，这个包转发出去后，所有的主机都要确认，会对网络造成非常大的影响

DHCP 协议

现在问题来了，我们主机的 ip 是怎么来的呢？如果你使用 linux 配置过静态 ip，你可能知道会去修改一个网卡的配置文件，手动配置为 static，写死 ip 和网关。但是我们打开电脑，连接 wifi 之后也可以上网了，这个时候的 ip 是怎么来的呢？

DHCP：动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），就是来做这个工作的。你的电脑会有网卡，这个网卡是生产商写死的，有全球唯一的一个 mac 地址，当你连接 wifi 之后，大概会发生以下几个步骤：

  • 主机发送一个报文，内容大概是：有没有人啊，我刚来，没 ip，我的 mac 地址是***，给我分配个 ip 呗，重要字段如下：
	源mac			目标mac				源ip				目标ip
主机网卡mac地址      ff:ff:ff:ff:ff:ff    00:00:00:00	  255:255:255:255

注意这里的目标 mac 和目标 ip 是都是广播地址，DHCP 服务器收到后，就知道了这个信息，这次请求称为 DHCP Discover

  • DHCP 服务器收到包后，分出来一个 ip，给请求主机发过去，内容大概是：来，我给你分配一个ip，你用吧，重要字段如下：
	源mac			   目标mac		   源ip				目标ip
DHCP服务器mac地址      主机网卡mac地址    DHCP服务器ip地址	  欲分配的ip地址

这里其实有一个疑问，这只是我想给你分配的 ip，你还没有绑定到网卡上，为什么目标 ip 就可以写成这个 ip 了呢，这次回复称为 DHCP Offer

  • 如果你在局域网里配置了多个 DHCP 服务器，主机有可能收到多个 offer，一般选择最先抵达的进行回复，内容大概是：我的mac地址是***，准备接收这个 offer 了，其它的你们留着给新来的吧，重要字段如下：
	源mac			目标mac				源ip				目标ip
主机网卡mac地址      ff:ff:ff:ff:ff:ff    00:00:00:00	  255:255:255:255

注意这里的目标 mac 和目标 ip 是都是广播地址，因为需要通知到其他的 DHCP 服务器它接收的是哪个 offer，否则其他服务器不知道这个 ip 是否分配出去了，要等待，这次请求称为 DHCP Request

  • DHCP 服务器收到后进行回复，大概内容：okok，这就是你的 ip 了，会把相关的一些配置信息也发送过来
	源mac			   目标mac		   源ip				目标ip
DHCP服务器mac地址      主机网卡mac地址    DHCP服务器ip地址	  欲分配的ip地址

这次请求称为 DHCP Ack

以上就是 DHCP 的主流程，其实中间还夹杂了一些 ARP 的报文，比如我的 ACK 发送出去后，如果在网络中丢失了怎么办，对方还能分配上吗？怎么确认呢？我给对方分配了一个 ip，万一这个 ip 已经有人静态配置过了呢？解决方式就是：在分配前和分配后都发 ARP 报文确认，这一点在下面的报文分析中也有体现。

同时，DHCP 分配后肯定需要回收，不能说分出去了你下线了都不知道，在租用的 ip 达到一段时间后，一般在租期过去 50% 的时候，直接向为其提供 IP 地址的 DHCP Server 发送 DHCP Request 消息包。客户机接收到该服务器回应的 DHCP ACK 消息包，会根据包中所提供的新的租期以及其他已经更新的 TCP/IP 参数，更新自己的配置

DHCP 报文分析

抓包工具：wireShark

抓包方式：首先开启飞行模式，接着关闭飞行模式，打开 wifi，在拦截到的包中过滤出协议是 DHCP 和 ARP 的报文，如下：

image-20250317170554520

DHCP Discover

image-20250318092230749

与上述协议讲解中基本一致，但是默认情况下，不会直接请求希望分配的 ip，这里可能是我连上 wifi 后，开启了飞行模式，又重新连的，返回了之前租用的 ip（192.168.0.121）

image-20250318092539938

我们看报文顺序可以注意到，序号 213 的 discover 报文后，发起了多个 arp 报文，目的 ip 是广播，内容是：有谁在用 192.168.0.121 的 ip，这里是要确认这个 ip 没有主机在使用

image-20250318093023640

image-20250318093305059

DHCP Offer

image-20250318100937553

DHCP Request

image-20250318101211992

注意：此时只是表达我想接受这个 offer，并没有将 ip 绑定到网卡上，因此依然需要广播通知

DHCP Ack

image-20250318101515053

在 ACK 确认完后，DHCP Server 还会发 ARP，看看这个 ip 是否真的被绑定了

image-20250318102734736

DHCP 协议就像租房子一样，首先我广播发送一个请求，说我新来的，没房子呀，中介（DHCP 服务器）回复说我给你推荐一个，这个时候可能有多个中介联系我，我选择一个最先找我的，广播说我要租你这个房子，其它中介收到后就知道你不要他们的房子，他们可以继续租给其他人了；你要租房子的这个中介收到你的租赁请求后，说没问题，给你确认一下，把租期之类的配置信息也发给你。你如果想续租，在租期接近一半的时候可以请求续租…

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