什么是ARP协议

ARP协议是Address Resolution Protocol（地址解析协议）的缩写。在局域网中，网络中实际传输的是数据帧，数据帧里面有目的主机的MAC地址。但这个目的MAC地址是如何获取的呢？就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送数据帧之前将目标IP地址转化成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

ARP协议的封装

图1 ARP数据报格式

1.硬件类型字段：2字节。用来定义运行ARP的网络类型。每一个局域网基于其类型被指定一个整数。例如，以太网的类型为1。

2.协议类型字段：2字节。用来定义高层协议的类型。例如，对IPv4协议，这个字段的值为0x0806。

3.硬件地址长度：1字节。用来定义以字节为单位的物理地址长度。例如，对以太网这个值为6。

4.协议地址长度：1字节。用来定义以字节为单位的协议地址长度。例如，对IPv4这个值是4。

5.操作字段：占2字节。用来定义分组的类型。例如，ARP请求分组为1，ARP响应分组为2。

6.发送端硬件地址：6字节。
7.发送端协议地址：4字节。
8.目标端硬件地址：6字节。
9.目标端协议地址：4字节。

如图2所示，ARP数据报是直接封装在数据链路层的数据帧中。

图2 ARP数据报的封装

原始套接字发送ARP数据包

通过以下建立发送ARP数据包的原始套接字：

socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP) )

第一个参数协议族为PF_PACKET，定义数据链路层上封包；第二个参数socket类型为SOCK_RAW，定义为原始套接字；第三个参数协议类型不能为0，此处定义为ARP协议。
由于是数据链路层上封包，地址定义需要使用协议无关的sockaddr_ll结构，填写其中的接口索引字段。
按照以太网帧的头部和ARP数据包定义构造发送数据，用sendto函数发送。具体的代码见附录1。

实验

实验采用两台虚拟机，IP地址分别为192.168.182.133和192.168.182.132，使用192.168.182.133作为ARP请求端。
先在ARP请求端删除关于192.168.182.132的ARP记录：

arp -d 192.168.182.132

然后打开wireshark进行抓包，最后执行编写的ARP发送程序，观察wireshark结果。如图3所示，对方进行了ARP应答。

图3 wireshark抓包结果

附录1

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/if.h>
#include <linux/if_packet.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/if_ether.h>
#include <net/ethernet.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{int sockfd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP) );if (sockfd == -1){printf("socket error\n"); return 0;}//获取网卡信息sockaddr_ll addr_ll;memset(&addr_ll, 0, sizeof(sockaddr_ll));addr_ll.sll_family = PF_PACKET;ifreq ifr;strcpy(ifr.ifr_name, "ens33");if (ioctl(sockfd, SIOCGIFINDEX, &ifr) == -1){printf("error ioctl SIOCGIFINDEX\n"); return 0;}addr_ll.sll_ifindex = ifr.ifr_ifindex; //接口索引if (ioctl(sockfd, SIOCGIFADDR, &ifr) == -1){printf("error ioctl SIOCGIFADDR\n"); return 0;}char* ipSrc = inet_ntoa(((struct sockaddr_in*)(&(ifr.ifr_addr)))->sin_addr);printf("ip address : %s\n", ipSrc); //source ipif (ioctl(sockfd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) == -1){printf("error ioctl SIOCGIFHWADDR\n"); return 0;}unsigned char macSrc[ETH_ALEN];memcpy(macSrc, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, ETH_ALEN); //mac addressprintf("mac address");for (int i = 0; i < ETH_ALEN; i++)printf(":%02x", macSrc[i]);printf("\n");//填充以太网首部 和 ARP信息unsigned char macDst[ETH_ALEN] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};ether_header header;memcpy(header.ether_dhost, macDst, ETH_ALEN);memcpy(header.ether_shost, macSrc, ETH_ALEN);header.ether_type = htons(ETHERTYPE_ARP);ether_arp arp;arp.arp_hrd = htons(ARPHRD_ETHER);arp.arp_pro = htons(ETHERTYPE_IP);arp.arp_hln = ETH_ALEN;arp.arp_pln = 4; //IPv4arp.arp_op = htons(ARPOP_REQUEST);in_addr src_in_addr, dst_in_addr;inet_pton(AF_INET, ipSrc, &src_in_addr);inet_pton(AF_INET, "192.168.182.132", &dst_in_addr);memcpy(arp.arp_sha, macSrc, ETH_ALEN);memcpy(arp.arp_spa, &src_in_addr, 4);memcpy(arp.arp_tha, macDst, ETH_ALEN);memcpy(arp.arp_tpa, &dst_in_addr, 4);unsigned char sendBuf[sizeof(ether_header) + sizeof(ether_arp) ];memcpy(sendBuf, &header, sizeof(ether_header) );memcpy(sendBuf + sizeof(ether_header), &arp, sizeof(ether_arp));int len = sendto(sockfd, sendBuf, sizeof(sendBuf), 0, (const sockaddr*)&addr_ll, sizeof(addr_ll) );if (len > 0){printf("send success\n");}return 0;
}

参考

刘兵，刘欣等编著.计算机网络基础[M].北京：中国水利水电出版社.2006.

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