Протокол ARP и «с чем его едят» (дополнено)
Спасибо хабраюзеру hardex за публикацию первоначальной статьи, а также всем, кто плюсанул в карму для возможности моей собственноручной публикации. Теперь дополненная версия с учетом пожеланий и дополнений. Добро пожаловать под кат.
Доброго времени суток, дорогие хабраюзеры. Этой статьей я хочу начать цикл повествования о протоколах, которые помогают нам прозрачно, быстро и надежно обмениваться информацией. И начать с протокола ARP.
Как известно, адресация в сети Internet представляет собой 32-битовую последовательность 0 и 1, называющихся IP-адресами. Но непосредственно связь между двумя устройствами в сети осуществляется по адресам канального уровня (MAC-адресам).
Так вот, для определения соответствия между логическим адресом сетевого уровня (IP) и физическим адресом устройства (MAC) используется описанный в RFC 826 протокол ARP (Address Resolution Protocol, протокол разрешения адресов).
ARP состоит из двух частей. Первая – определяет физический адрес при посылке пакета, вторая – отвечает на запросы других станций.
Протокол имеет буферную память (ARP-таблицу), в которой хранятся пары адресов (IP-адрес, MAC-адрес) с целью уменьшения количества посылаемых запросов, следовательно, экономии трафика и ресурсов.
Пример ARP-таблицы.
192.168.1.1 08:10:29:00:2F:C3
192.168.1.2 08:30:39:00:2F:C4
Слева – IP-адреса, справа – MAC-адреса.
Прежде, чем подключиться к одному из устройств, IP-протокол проверяет, есть ли в его ARP-таблице запись о соответствующем устройстве. Если такая запись имеется, то происходит непосредственно подключение и передача пакетов. Если же нет, то посылается широковещательный ARP-запрос, который выясняет, какому из устройств принадлежит IP-адрес. Идентифицировав себя, устройство посылает в ответ свой MAC-адрес, а в ARP-таблицу отправителя заносится соответствующая запись.
Записи ARP-таблицы бывают двух вид видов: статические и динамические. Статические добавляются самим пользователем, динамические же – создаются и удаляются автоматически. При этом в ARP-таблице всегда хранится широковещательный физический адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF (в Linux и Windows).
Создать запись в ARP-таблице просто (через командную строку):
Вывести записи ARP-таблицы:
После добавления записи в таблицу ей присваивается таймер. При этом, если запись не используется первые 2 минуты, то удаляется, а если используется, то время ее жизни продлевается еще на 2 минуты, при этом максимально – 10 минут для Windows и Linux (FreeBSD – 20 минут, Cisco IOS – 4 часа), после чего производится новый широковещательный ARP-запрос.
Сообщения ARP не имеют фиксированного формата заголовка и при передаче по сети инкапсулируются в поле данных канального уровня
Формат сообщения ARP.
- тип сети (16 бит): для Ethernet – 1;
- тип протокола (16 бит): h0800 для IP;
- длина аппаратного адреса (8 бит);
- длина сетевого адреса (8 бит);
- тип операции (16 бит): 1 – запрос, 2 — ответ;
- аппаратный адрес отправителя (переменная длина);
- сетевой адрес отправителя (переменная длина);
- аппаратный адрес получателя (переменная длина);
- сетевой адрес получателя (переменная длина).
А вот как происходит определение маршрута с участием протокола ARP.
Пусть отправитель A и получатель B имеют свои адреса с указанием маски подсети.
- Если адреса находятся в одной подсети, то вызывается протокол ARP и определяется физический адрес получателя, после чего IP-пакет инкапсулируется в кадр канального уровня и отправляется по указанному физическому адресу, соответствующему IP-адресу назначения.
- Если нет – начинается просмотр таблицы в поисках прямого маршрута.
- Если маршрут найден, то вызывается протокол ARP и определяется физический адрес соответствующего маршрутизатора, после чего пакет инкапсулируется в кадр канального уровня и отправляется по указанному физическому адресу.
- В противном случае, вызывается протокол ARP и определяется физический адрес маршрутизатора по умолчанию, после чего пакет инкапсулируется в кадр канального уровня и отправляется по указанному физическому адресу.
Главным достоинством проткола ARP является его простота, что порождает в себе и главный его недостаток – абсолютную незащищенность, так как протокол не проверяет подлинность пакетов, и, в результате, можно осуществить подмену записей в ARP-таблице (материал для отдельной статьи), вклинившись между отправителем и получателем.
Бороться с этим недостатком можно, вручную вбивая записи в ARP-таблицу, что добавляет много рутинной работы как при формировании таблицы, так и последующем ее сопровождении в ходе модификации сети.
Существуют еще протоколы InARP (Inverse ARP), который выполняет обратную функцую: по заданному физическому адресу ищется логический получателя, и RARP (Reverse ARP), который схож с InARP, только он ищет логический адрес отправителя.
В целом, протокол ARP универсален для любых сетей, но используется только в IP и широковещательных (Ethernet, WiFi, WiMax и т.д.) сетях, как наиболее широко распространенных, что делает его незаменимым при поиске соответствий между логическими и физическими адресами.
P.S. Эту статью писал я сам, никуда не подглядывая, основываясь только на своих знаниях, полученных в ходе изучения сетей.
Структура и принцип работы протокола ARP
Маршрутизаторы передают пакеты по какому-либо логическому пути, который состоит из определённого количества каналов передачи данных, “читая” и “взаимодействуя” с сетевыми адресами. Пакеты, инкапсулированные в кадры (фреймы), передаются через канальную среду. Фреймы содержат уникальные идентификаторы канальной среды (например, MAC-адреса) для определения адресата источника и назначения в канальной среде.
Устройствам в канальной среде необходим способ определения идентификаторов канальной среды соседей для того чтобы фреймы могли быть отправлены корректному адресату назначения. Одним из таких механизмов определения для протокола IP версии 4 является протокол ARP — Address Resolution Protocol, описанный в RFC 826.
1. Основы работы протокола ARP
На рисунке 1 изображён процесс работы протокола ARP
Устройство, которому необходимо узнать идентификатор канальной среды другого устройства, создает пакет ARP Request. Данный запрос содержит в себе IP-адрес устройства для которого необходимо узнать идентификатор канального среды ( Target ), а также данные канальной среды (в данном случае MAC-адрес) и IP-адрес устройства, которое данный запрос сформировало ( Source ).
Пакет ARP Request инкапсулируется в фрейм. В качестве MAC-адреса источника выступает сам источник, в качестве MAC-адреса назначения используется broadcast адрес ( FFFF.FFFF.FFFF ).
Вот как выглядит ARP Request если захватить его с помощью wireshark
Подробно рассмотреть каждое поле запроса ARP можно скачав данный дамп
Broadcast адрес используется для того чтобы все узлы в канальной среде получили данный фрейм и обработали инкапсулированный внутри пакет. Все устройства, за исключением адресата назначения, поймут, что данный пакет не предназначается для них и попросту отбросят его. Устройство назначения обработает пакет и в ответ отправит ARP Reply адресату источника. Внутри ARP Reply будет содержаться как раз-таки MAC-адрес адресата назначения.
На следующем изображении можно увидеть как выглядит ARP Reply
Также скачав дамп с трафиком можно более подробно увидеть каждое поле пакета
2. Структура полей протокола ARP
Протокол ARP имеет следующие поля:
Стоит напомнить, что формат протокола обычно показывается в разрезе 4 байт. Из-за этого часть информации из полей протокола может быть показана как часть следующих 4 байт (на примере Hardware и IP адресации).
Hardware Type — 16-битное поле, определяющее “тип канальной среды”. Наиболее часто используемые типы представлены в таблице ниже
| Номер | Тип среды |
|---|---|
| 1 | Ethernet |
| 15 | Frame Relay |
| 17 | HDLC |
| 18 | Fiber Channel |
| 20 | Serial Link |
Но основную часть всё же занимает именно Ethernet.
Protocol Type — 16-битное поле, определяющее протокол сетевого уровня, который отправитель связывает с идентификатором канала передачи данных. Для протокола IP версии 4 значение данного поля равно 0x0800
Hardware Address Length — 8-битное поле, определяющее длину идентификатора канальной среды в байтах. MAC-адреса имеет длину 48 бит или 6 байт.
Protocol Address Length — 8-битное поле, определяющее длину адреса сетевого уровня в байтах. IP-адреса имеет длину 32 бита или 4 байта.
Operation — 16-битное поле, которое определяет какой тип пакета ARP используется:
- ARP Request — 1
- ARP Reply — 2
- Reverse ARP Request — 3
- Reverse ARP Reply — 4
- Inverse ARP Request — 8
- Inverse ARP Reply — 9
Последние 20 байт приходятся на адресацию канальной среды и сетевого уровня источника и назначения запроса (MAC-адрес 6 байт * 2 + IP-адрес 4 байт * 2 = 20)
3. Практика
Посмотрим небольшую практику на примере следующей схемы:
Для того чтобы отследить пакеты arp на устройствах cisco можно воспользоваться утилитой debug . Для этого необходимо в привилегированном режиме выполнить команду debug arp
Стоит обратить внимание на колонку Age в выводе команды на маршрутизаторе. Данная колонка показывает через какое количество времени данная запись будет удалена из таблицы ARP. Это сделано для того чтобы предотвратить перегрузку таблицы ARP устаревшими записями.
По умолчанию устройства cisco хранятся информацию у себя в таблице ARP в течение 4 часов, это можно проверить командой show interface | include ARP
Router# show int gi0/0 | inc ARP Encapsulation ARPA, loopback not set ARP type: ARPA, ARP Timeout 04:00:00 Router#
Поведение по умолчанию можно изменить, выполнив следующий набор команд (настройка актуальна для отдельного интерфейса)
Router# conf t Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z. Router(config)# interface gi0/0 Router(config-if)# arp timeout 1800 Router(config-if)# end *Oct 4 20:56:43.122: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console Router# show int gi0/0 | inc ARP Encapsulation ARPA, loopback not set ARP type: ARPA, ARP Timeout 00:30:00 Router#
Для очистки ARP кэша можно выполнить команду
В следующий раз я вкратце рассмотрю другие разновидности протокола ARP: Proxy ARP , Gratuitous ARP , Reverse ARP .
P.S. вся информация представленная здесь используется исключительно в образовательных целях. Все совпадения с реальными объектами, адресами, именами и т.д. случайна и не несёт цели получить от этого выгоду или причинить кому-либо вред.
Updated: October 2, 2021