免费ARP(Gratuitous ARP)的介绍

问题引入

我们很多系统都是使用双机热备份系统（即一个主用，另一个备用，如果主用没有问题，备用一直处于空闲状态；如果主用出现问题，备用立刻接管）。假设主用服务器的MAC地址为：1111-1111-1111，备用服务器的MAC地址为：2222-2222-2222，通过某种软件，两台服务器共同对外共同使用一个IP，例如10.10.10.1，这样客户机在需要同服务器进行通信的时候（第一次通信的例子，在这时候ARP的缓存是空的，或至少没有10.10.10.1的MAC地址），先向局域网发送广播ARP请求报文请求10.10.10.1这个IP地址的MAC地址，得到主用服务器响应后，将10.10.10.1和对应的MAC地址放入自己的ARP缓存中，然后向这个IP发送请求就可以进行通信了。如果在通信的过程中，主用服务器突然发生故障，down机了，这时备用服务器立刻接管10.10.10.1这个IP进行服务，可是刚才那台客户机的ARP缓存表中10.10.10.1这个IP对应的MAC地址是1111-1111-1111，再往这个MAC地址发送数据包肯定是石沉大海的，怎样才能让备用接管了服务之后立刻能起作用呢？
我们能想到的方法有两种，一种就是在使用双机热备份系统，接管那个IP的时候，生成一个不依赖于任何一个主机的虚拟MAC地址，接管IP的同时也接管那个虚拟的MAC地址，这样客户机不需要做任何更改动作，ARP缓存表不变。另外一种就是在接管的同时，接管的服务器对外广播一个ARP报文给所有主机，例如在刚才的例子中，ARP广播报文的数据字段中源IP地址是10.10.10.1，源MAC地址是2222-2222-2222，目的IP地址也是10.10.10.1，目的MAC地址也是2222-2222-2222，IP报文的目的地址是：FFFF-FFFF-FFFF，这样让所有的广播网络上的主机接收该报文，并更新自己的ARP缓存表，已告知10.10.10.1这个IP的对应MAC地址已经变为2222-2222-2222，这样，刚才的那个客户机就能正确地同服务器进行通信了。
第一种方法在大多数系统中已经被采用，例如Cisco的HSRP技术中，虚拟出来的MAC地址是以0000.0c07.ac＋HSRP的group ID组成，并且限制局域网上不会存在不同应用的相同Group ID，以确保局域网上不会重复MAC地址生成。在VRRP中也是如此，原理和HSRP同。这样无论主备用如何切换，客户机不需要做任何动作。
第二种方法就是免费ARP技术（gratuitous ARP），目前应用也很广泛。

免费ARP的作用
免费ARP目前的作用有两种：
第一种就是刚才上面所说的宣告广播的作用，以告诉整个广播域，目前这个IP所对应的MAC地址是什么。
第二种是看看广播域内有没有别的主机使用自己的IP，如果使用了，则在界面上弹出“IP冲突”字样。普通ARP请求报文广播发送出去，广播域内所有主机都接收到，计算机系统判断ARP请求报文中的目的IP地址字段，如果发现和本机的IP地址相同，则将自己的MAC地址填写到该报文的目的MAC地址字段，并将该报文发回给源主机。所以只要发送ARP请求的主机接收到报文，则证明广播域内有别的主机使用和自己相同的IP地址（这里不考虑路由器的ARP代理问题）。免费ARP的报文发出去是不希望收到回应的，只希望是起宣告作用；如果收到回应，则证明对方也使用自己目前使用的IP地址。
在所有网络设备（包括计算机网卡）up的时候，都会发送这样的免费ARP广播，以宣告并确认有没有冲突。
下面是一个免费arp报文的例子：
0000 ff ff ff ff ff ff 00 00 5e 00 01 ea 08 06 00 01
0010 08 00 06 04 00 01 00 00 5e 00 01 ea 86 4a ea 01
0020 00 00 5e 00 01 ea 86 4a ea 01 00 00 00 00 00 00
0030 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0040 00 00 00 00
按位解释：报文中前48位是报文发送的目的MAC地址，ff ff ff ff ff ff说明前48位都为1，表示这是一个局域网广播地址，后面那个00 00 5e 00 01 ea是数据包发送的源MAC地址，08 06表示为数据包类型为arp数据包，00 01表示这是一个以太网数据包，08 00表示为IP协议，6是硬件地址长度，4为协议地址长度，00 01表示是ARP请求报文，00 00 5e 00 01 ea发送者MAC地址，86 4a ea 01（转换成十进制是134.74.234.1）是发送者的协议地址（由于协议是IP，所以这是IP地址），后面的86 4a ea 01是被请求的协议地址（可以看到请求的地址就是自身的IP地址），00 00 5e 00 01 ea是被请求的MAC地址，正常情况下，如果不是免费ARP，这里应该为全0，在响应的时候，由目的主机来填写，但是在免费ARP的请求报文中，这里已经自动填写上自身的MAC地址。
免费ARP带来的漏洞
根据上面第一种所起的作用能发现免费ARP带来的一个漏洞，因为目前的局域网上都没有安全的认证系统，所以任何主机都可以发送这样的免费ARP广播，这样就会出现MAC地址欺骗。假如某银行系统局域网内有服务器A，客户机B，客户机C，客户机B正在向服务器提交当天的信用卡消费和账号信息（通过某种安全通信机制进行通信，确保客户机C是无法接收到两者之间传输的数据包的），这时客户机C（攻击者）向局域网内发送了一个免费ARP广播，其源IP地址为服务器A的地址，源MAC地址为客户机C自己的MAC地址。客户机B收到这样的报文后，会将自己ARP缓存中服务器A的MAC地址改为客户机C的MAC地址，这就形成了MAC地址欺骗，这样客户机B会将所有该发给服务器A的信息都发送给客户机C，C在通过抓包分析就知道了很多不该知道的信息。通常为了确保A不再发送信息给B以改变B的ARP缓存里A的IP对应的MAC地址，C可以通过其他手段先将A工具瘫痪。这样就放心大胆地进行欺骗了。这是前几年至今都很流行的攻击手段之一。
目前针对该攻击没都有很好的防范手段，当前使用的方法有
1. 设置MAC地址和IP地址绑定。
2. 将交换机上某些端口设置为信任端口，来自这些端口的请求认为是可靠的，予以转发，其他的不转发。
但是这些方法都很死板，不灵活。

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