以太网通信之ARP

本文主要是介绍以太网通信之ARP，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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前言

一、ARP

ARP 的工作原理：

ARP 的应用场景：

ARP 的安全性问题：

二、以太网MAC帧的基本结构

三、ARP 数据包的基本结构

ARP 请求示例：

ARP 响应示例：

四、参考的原文

总结

前言

在本章中，小编将继续带领大家阅读正点原子的《达芬奇 Pro FPGA 开发指南》，深入了解以太网通信的相关知识。

一、ARP

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个网络协议，用于将网络层的IP地址转换为数据链路层的MAC地址。ARP 在IPv4网络中非常重要，因为通信设备需要知道目标设备的MAC地址，才能在局域网中进行通信。

ARP 的工作原理：

ARP 请求（ARP Request）：
- 当一台设备（如计算机）需要与同一局域网内的另一台设备通信时，它会先检查自己的ARP缓存，查看是否已经有该设备IP地址对应的MAC地址。
- 如果ARP缓存中没有相应的记录，该设备会广播一个ARP请求数据包，询问网络中“拥有这个IP地址的设备，其MAC地址是什么？”。
- ARP请求包含发送设备的IP地址和MAC地址，以及目标设备的IP地址。
ARP 响应（ARP Reply）：
- 拥有与ARP请求中目标IP地址相匹配的设备接收到请求后，会回复一个ARP响应包。这个响应包包含了目标设备的MAC地址。
- 响应包发送给发出ARP请求的设备，并且以单播方式发送，而不是广播。
ARP 缓存：
- 发送设备收到ARP响应后，会将目标设备的IP地址与MAC地址的映射关系存储在本地的ARP缓存中，以便后续通信更快速，不需要重复发送ARP请求。
- ARP缓存有一定的老化时间，过期后会删除相应的映射关系，以保证信息的准确性。

ARP 的应用场景：

局域网内通信：当设备A需要向同一局域网内的设备B发送数据时，ARP用来获取设备B的MAC地址。
网络层到链路层的转换：IP地址是网络层的地址，而MAC地址是数据链路层的地址。在发送数据时，ARP实现了IP地址到MAC地址的转换，使得设备可以在局域网内进行数据帧的传输。

ARP 的安全性问题：

ARP 欺骗（ARP Spoofing）：由于ARP协议的无状态性，网络攻击者可以发送伪造的ARP响应，将恶意设备的MAC地址与目标设备的IP地址绑定，从而截获或篡改数据通信。这种攻击被称为ARP欺骗或ARP中毒，常用于中间人攻击（MITM）。

二、以太网MAC帧的基本结构

以太网MAC帧由几个字段组成，每个字段都有特定的作用。以下是标准的以太网MAC帧格式及其各个字段的简要介绍：

前导码（Preamble）：
- 长度：7 字节（56 比特）
- 作用：前导码是由连续的 10101010 比特序列组成，用于同步接收端的时钟信号，使接收器能够正确地解析后续数据。
帧起始定界符（SFD, Start Frame Delimiter）：
- 长度：1 字节（8 比特）
- 作用：帧起始定界符标志着帧的开始，它通知接收端接下来的内容是实际数据帧的开始。
目标 MAC 地址（Destination MAC Address）：
- 长度：6 字节（48 比特）
- 作用：指定数据帧的接收者MAC地址。该字段表明帧要发送到网络中哪个设备。如果是广播帧，则目标MAC地址为全 FF:FF:FF:FF:FF:FF。
源 MAC 地址（Source MAC Address）：
- 长度：6 字节（48 比特）
- 作用：标识发送数据帧的设备的MAC地址。
以太网类型（EtherType）/长度字段：
- 长度：2 字节（16 比特）
- 作用：
  - 如果值大于或等于 1536（0x0600），则该字段表示上层协议类型（例如 0x0800 表示 IPv4，0x86DD 表示 IPv6）。
  - 如果值小于 1536，则表示数据字段的长度（有效负载长度）。
数据与填充（Data and Padding）：
- 长度：46 到 1500 字节
- 作用：数据字段包含实际传输的数据，即来自上层协议的数据包。如果数据字段少于 46 字节，则需要填充数据以达到最小长度要求（46 字节），这部分被称为填充字节。
帧校验序列（FCS, Frame Check Sequence）：
- 长度：4 字节（32 比特）
- 作用：用于错误检测。FCS 字段包含一个由发送设备计算的循环冗余校验（CRC）值，接收设备会重新计算这个值以验证帧在传输过程中是否出现错误。

三、ARP 数据包的基本结构

ARP 数据包由多个字段组成，每个字段都有其特定的作用。以下是 ARP 数据包的字段和它们的功能：

硬件类型（Hardware Type, HTYPE）：
- 长度：2 字节
- 作用：指定硬件类型。对于以太网，硬件类型的值为 1（表示以太网地址）。
协议类型（Protocol Type, PTYPE）：
- 长度：2 字节
- 作用：指定需要解析的协议类型。对于 IPv4，协议类型的值为 0x0800。
硬件地址长度（Hardware Address Length, HLEN）：
- 长度：1 字节
- 作用：指定硬件地址的长度，以字节为单位。对于 MAC 地址，该值通常为 6（表示 6 字节）。
协议地址长度（Protocol Address Length, PLEN）：
- 长度：1 字节
- 作用：指定协议地址的长度，以字节为单位。对于 IPv4 地址，该值通常为 4（表示 4 字节）。
操作码（Operation, OPER）：
- 长度：2 字节
- 作用：指定操作的类型。常见的操作码有：
  - 1：ARP 请求
  - 2：ARP 响应
发送方硬件地址（Sender Hardware Address, SHA）：
- 长度：6 字节
- 作用：发送方的 MAC 地址。在 ARP 请求中，这是请求方的 MAC 地址；在 ARP 响应中，这是响应方的 MAC 地址。
发送方协议地址（Sender Protocol Address, SPA）：
- 长度：4 字节
- 作用：发送方的 IP 地址。在 ARP 请求中，这是请求方的 IP 地址；在 ARP 响应中，这是响应方的 IP 地址。
目标硬件地址（Target Hardware Address, THA）：
- 长度：6 字节
- 作用：目标的 MAC 地址。在 ARP 请求中，该字段为空（全 0），因为请求方不知道目标的 MAC 地址；在 ARP 响应中，该字段包含请求方的 MAC 地址。
目标协议地址（Target Protocol Address, TPA）：
- 长度：4 字节
- 作用：目标的 IP 地址。在 ARP 请求中，这是请求方希望解析的目标 IP 地址；在 ARP 响应中，这是请求方的 IP 地址。