ARP平时的使用比较多，原理也比较简单，今天来系统的全面的看一下ARP，以及在SDN中的ARP可以是怎么样的。

ARP全称是地址解析协议（Address Resolution Protocol）。它由RFC826定义，这是个不太长的RFC，标题比较有意思：

An Ethernet Address Resolution Protocol -- or -- Converting Network Protocol Addresses to 48.bit Ethernet Address for Transmission on Ethernet Hardware

一个以太网地址解析协议 --或者是-- 将网络协议地址转换成48bit的以太网地址，以便在以太网设备上传输

够直观！

目前最广泛的应用是通过IP地址，查询MAC地址。如无特殊说明，本文之后说网络协议地址，就是IP地址，以太网地址，就是MAC地址。ARP是IPv4中必不可少的协议，不过在IPv6中已经被NDP代替。

为什么需要ARP？


在TCP/IP协议中，主机到主机之间的通讯是通过IP地址来建立逻辑路径。例如，ping的是IP地址，访问网络服务，访问的也是IP地址。刚刚说的逻辑路径可以包含多个数据链路。举个例子，当你在看这篇文章的时候，实际上是建立了由你的电脑的IP到知乎服务器IP之间的逻辑路径。而数据包沿着这个逻辑路径传输时，经过了多个交换机和路由器的转发，这中间对应了多个数据链路。当数据包在一个独立的数据链路中传送时，需要把数据包封装在以太网帧（Ethernet Frame）当中，为了让Frame到达目的节点，需要知道目的设备的数据链路标识，也就是MAC地址。因此，对于一个数据链路中的各个设备，只有知道彼此的标识，才能完成网络数据传输（也就是常说的2层数据传输）。ARP的作用就是促成彼此之间数据链路标识的识别，进而完成网络数据的传输。

ARP协议格式

了解ARP的应用之前，先来看看ARP的协议格式。

 

 

ARP与OpenFlow based SDN_操作码图中的前14个字节是以太网报头，这个是所有网络数据通用的。ARP对应的帧类型是0x0806。

 

之后的28个字节是ARP协议的具体内容。主要就是描述了对应的网络协议地址和数据链路标识。

  • 其中硬件类型和协议类型：分别对应的是数据链路的类型和网络协议的类型。最常见的硬件类型就是0x0001，对应以太网；而最常见的协议类型是0x8000，对应IPv4.
  • 硬件地址长度和协议地址长度：分别对应的是数据链路标识和网络协议地址的长度。以太网的标识长度是6，即6个字节的MAC地址；IPv4的长度是4个字节。
  • 操作码：表明了当前ARP数据包的类型。ARP请求对应1，ARP响应对应2。详细的操作码用IANA定义。
  • 源硬件地址（SHA，Source Hardware Address）和源协议地址（SPA，Source Protocol Address）：分别对应的源设备的MAC地址和IP地址。
  • 目的硬件地址（THA，Target Hardware Address）和目的协议地址（TPA，Target Protocol Address）：分别对应的是目的设备的MAC地址和IP地址。

ARP的基本行为模式

后面将介绍ARP的多种应用，虽然有的看起来比较复杂。但是他们都遵循着ARP协议的基本行为模式，可以概括如下：

  • ARP的数据包含在SHA和SPA当中。也就是说各个设备获取IP地址到MAC地址的对应取自SHA和SPA。当SHA或者SPA为空时，ARP数据无效。
  • ARP的传输模式由以太网报头决定，例如单播还是广播，由目标以太网地址决定，与THA无关。
  • 任何设备仅会处理TPA与自身IP地址匹配的ARP数据。

 

ARP如何获取邻居设备的MAC地址

前面说过ARP的作用就是获得邻居设备的MAC地址，这一节看看这个过程具体是怎样。


现在有两个设备A和B在一个数据链路中。A现在要ping B（10.0.0.22）。虽然现在知道了B设备的IP地址，但是ICMP数据包最终还是要封装在以太网报头中，也就是说网络数据的传输还需要知道目的设备的MAC地址。为了完成ICMP封包，A设备先从自己的ARP cache中去查找10.0.0.22的记录，如果找到了，直接使用记录中的MAC地址来填到以太网报头中。如果没有找到，设备A会发送一个ARP数据包，这个数据包有以下特点：

  1. 它包含了源设备A的IP地址和MAC地址（SHA，SPA）
  2. 它包含了目的设备B的IP地址（TPA），由于不知道设备B的MAC地址，THA被填成全0
  3. 它的以太网报头中，目的地址是广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff
  4. 它的操作码是1，表明这是一个ARP请求


由于以太网报头中的目的地址是广播地址，整个数据链路上的设备都将收到该帧，只有设备B自身的IP能与TPA匹配，其他设备不能匹配都会丢弃数据包。设备B收到这个ARP请求之后，会回送一个ARP数据包，这个数据包具有如下特点：

  1. 它包含了设备B的IP地址和MAC地址（SHA，SPA）
  2. 它包含了设备A的IP地址和MAC地址（THA，TPA）
  3. 它的以太网报头中，目的地址是设备A的MAC地址
  4. 它的操作码是2，表明这是一个ARP响应


由B设备发出的ARP数据包不再是一个广播数据，而是单播给了设备A。并且该ARP响应中的SHA和SPA包含了设备B的IP和MAC地址，当设备A收到了该ARP响应，就知道了设备B的MAC地址，可以继续进行ICMP的封包，大致过程跟下面这个动图描述的一样。
ARP与OpenFlow based SDN_数据_02

ARP cache

前面已经提到了ARP cache。试想一下，如果每个ICMP封包都需要ARP广播一次获取目的设备的MAC地址，那网络上必定泛滥着ARP广播，而各个设备也必定疲于应付广播数据，即使没有任何实际数据包发送到设备本身。ARP cache就是为了解决这个问题提出的，这是设备本身的一个缓存，用来记录已知的IP地址和MAC地址的对应关系。根据RFC826，任何设备收到了任何ARP数据包，都必须更新其本地的ARP cache，更新的内容来自于ARP数据包的SPA和SHA。因此，在上面的过程中，设备A和设备B的ARP cache同时得到了更新。

ARP cache可以通过arp命令查看：

[~]$ arp -a

也可以通过ip neighbor命令查看。确切的说，arp命令只能查看IPv4地址和MAC地址的对应，而ip neighbor 还包含了IPv6的对应关系。

[~]$ ip neighbor
192.168.31.203 dev eth0 lladdr 10:48:b1:b6:0a:a7 STALE
192.168.31.1 dev eth0 lladdr 8c:be:be:28:40:75 REACHABLE
fe80::122a:b3ff:fea1:73a2 dev eth0 lladdr 10:2a:b3:a1:73:a2 STALE

那新的问题来了，随着时间的运行，设备上的ARP cache必定越来越大，消耗设备的资源也必定越来越多。为了解决这个问题，ARP cache中每条entry都有对应的存活时间。在Linux下，这个存活时间不是简单的过了一定时间就删除，具体过程比较复杂。stackoverflow上的解释比较到位，感兴趣可以看看。简单概括：

 

  1. ARP数据包能创建一条新，或者更新已有的ARP entry。刚刚创建或者更新的ARP entry，状态是REACHABLE。
  2. 较短时间内ARP entry如果没有更新，状态会变成STALE，STALE的ARP entry仍然会被用来进行以太网报头填充。如果STALE状态的ARP entry被使用了，操作系统会异步的发送一个单播的ARP请求去验证并更新这条ARP entry。所以我们在ping的时候，常常可以看到夹杂着的单播ARP请求。
  3. ARP entry如果一定时间没有被使用，会被清除。

ARP spoof 和 proxy ARP

从ARP的协议格式和ARP的工作过程来看，ARP本身没有提供一个认证机制。因此ARP应答存在仿冒（或者说ARP代答）的可能。在不同的应用场景下，有不同的效果。

ARP spoof

这是恶意攻击的场景。

前面说过任何设备仅会处理TPA与自身IP地址匹配的ARP数据，但是ARP spoof system会修改这个行为。对于想拦截的逻辑连接，ARP spoof system会匹配含有相应的TPA的ARP请求，并且回送一个带有自身的MAC地址的ARP响应。这样，发送ARP请求的源设备会以为ARP spoof system是期望的目的设备，所有数据包都会发送到ARP spoof system。

 

通常ARP spoof system会伪装成默认网关，这样所有出外网的数据包都会被拦截。简单的攻击是直接丢包，造成断网，稍微复杂点的会篡改包的内容，再转发出去。ARP spoof通常是网络攻击的开始。

 

proxy ARP

这是正常网络规划的场景。原理其实与ARP spoof类似，只是这是设计好的网络特性。具体可以参考RFC925和RFC1027。

当目的设备不能够或者不愿意（出于安全或者性能角度）响应ARP请求时。可以由另一个设备将自己的MAC地址回送给源设备，之后源设备将所有的数据发送到该设备，再由该设备转发到实际的目的设备。这实际上也是欺骗了源设备，只不过这里的设备是一个设计好的，不会干坏事的中继设备。

proxy ARP可以在路由器上配置，从而代替默认网关，为子网实现三层转发。而子网内的设备仍然会认为自己在一个二层网络中。这种用途现在比较少。

ARP与OpenFlow based SDN_操作码_03

proxy ARP还有个用途就是用于NAT设备的ARP应答。设备X访问设备Y，当网络包走到路由器C，路由器C首先也会发送ARP广播请求，来查询目的设备的MAC地址。但是由于Y设备与路由器C不在一个数据链路中，Y设备收不到路由器C发出的ARP广播请求，因此二手手机靓号转让地图需要NAT设备代答ARP。这里也可以理解成，22为一个虚拟的端口（72.3.4.55）提供ARP响应功能。这样数据包能接着发送到NAT设备，进而转发到设备Y。

ARP与OpenFlow based SDN_mac地址_04

Inverse ARP and Reverse ARP

Inverse ARP由RFC2390定义，用来通过数据链路标识（MAC地址）查找网络协议地址（IP地址），对应的ARP协议操作码分别是8，9。Reverse ARP用于主机启动的时候通过向RARP server请求自身的IP地址，对应的ARP协议操作码分别是3，4。不过Reverse ARP已经被DHCP替代了（想当年学计算机网络的时候还是考试内容）。这两者的区别是Reverse ARP只能通过自己的MAC地址查询IP地址，而Inverse ARP可以查询别人的。

Gratuitous ARP

ARP数据传输本身是无状态的。因此，就算设备没有发出ARP请求，如果该设备收到了其他设备发来的ARP数据包(包括ARP请求和响应)，那么该设备还是会更新自身的ARP cache。这就是GARP（Gratuitous ARP）的实现背景。Gratuitous翻译过来可以是无故的，免费的。GARP的作用就是告知别的设备来更新它们自身ARP cache中关于GARP中的SPA和SHA的对应关系。就像前面说过的一样，任何ARP的数据都来自SHA和SPA。

前面说过，任何设备收到了任何ARP数据包，都必须更新其本地的ARP cache。因此，GARP可以是一个ARP请求（操作码1），也可以是一个ARP响应（操作码2）。这两种情况的共同点：

  • SPA和TPA都必须设置成需要更新的ARP entry的IP地址
  • SHA都设置成需要更新的ARP entry的MAC地址
  • ARP数据包都必须在数据链路中广播。即以太网报头的目的MAC地址必须是ff:ff:ff:ff:ff:ff。

不同点在于：

  • 如果是ARP响应，THA也必须设置成需要更新的ARP entry的MAC地址。而如果是ARP请求，THA被忽略。

由于TPA被设置成了源设备的IP地址，即使GARP是一个ARP请求，它也不期望会得到任何响应。因为不会有设备的IP能匹配TPA。

GARP的实际应用，除了让别的设备更新相应的ARP entry。还有个重要的作用就是用在冗余IP（或者说虚拟IP）的场景下。

现在假设有一个虚拟IP 10.0.0.1作为网络的默认网关，而上行线路有两个路由器做主备。当路由器A发生故障，路由器B得知之后，会广播一个GARP出来，让网络中的设备更新ARP cache，使得默认网关的MAC地址指向路由器B，这样路由器B将作为主路由器提供服务。这就是VRRP协议的基础，而OpenStack Neutron中的HA router正是基于VRRP实现的。

ARP与OpenFlow based SDN_ip地址_05

ARP probe

ARP探测，这个由RFC5227定义。当一个设备以任何方式获取了IP地址，想在一个数据链路中上线时，如果该数据链路中已经存在了一个相同IP地址的设备，那该设备上线将导致两个设备网络都不可用。为了防止该情况的发生，可以使用ARP probe判断当前网络是否已经有指定IP地址。

ARP探测包本身也是一个普通的ARP请求（操作码1），但是其SPA需要设置成0.0.0.0。前面说过，ARP cache的更新内容来自于SPA和SHA，由于SPA为空，ARP探测包中的ARP数据是无效的，因此ARP probe数据包不会更新任何设备的ARP cache。这是合理的，因为ARP 探测本身就是一个不确定的行为，如果数据链路中已经有了相应的IP地址设备，自然也不希望在ARP探测时修改已有的ARP entry。

ARP探测报文是一个广播报文，也就是说它的以太网报头中的目的MAC地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff

ARP探测报的TPA设置成希望探测的IP地址，这样如果数据链路中已经有同IP的设备，收到探测包之后会给源设备发送ARP响应，而源设备也就知道了数据链路中存在相同IP地址的设备。

ARP探测如果没有发现IP被占用，通常会接着发送一个GARP来告知数据链路中的其他设备有关自己的IP地址和MAC地址。根据RFC5227，这个时候的GARP应该是一个ARP请求（操作码1）。

ARP与OpenFlow based SDN_数据链路_06

ARP在SDN中的应用

普通设备的ARP应答

设备通过ARP获取邻居设备的MAC地址，第一步就是发送ARP广播。由于ARP cache有老化时间，如果一个数据链路足够大，那在实际的网络链路中，ARP广播数量也不容小觑。

在SDN中，由于SDN的控制层面掌握着所有端口的信息，包括了端口的IP地址和MAC地址，可以在数据层面下发ARP代答流表。

priority=100,arp,arp_tpa=10.0.0.1,arp_op=1 actions=load:0x2->NXM_OF_ARP_OP[],move:NXM_NX_ARP_SHA[]->NXM_NX_ARP_THA[],move:NXM_OF_ARP_SPA[]->NXM_OF_ARP_TPA[],mod_dl_src:fa:16:3e:1d:53:34,load:0xfa163e1d5334->NXM_NX_ARP_SHA[],load:0xa000001->NXM_OF_ARP_SPA[],IN_PORT

例如，这条流表中，对目的地址是10.0.0.1的ARP请求，直接生成ARP响应：

  • 操作码修改为2，表示是ARP响应
  • 源SHA，SPA移动到THA，TPA
  • 将已知的10.0.0.1的MAC地址写入SHA，将10.0.0.1写入SPA
  • 将源MAC写成已知的10.0.0.1的MAC地址，最后回送到输入端口

从源设备的角度来说，这就是一个再正常不过的ARP请求响应过程。但是通过OpenFlow的实现，可以带来以下好处：

  1. 避免了ARP广播，减轻了数据链路的负担。
  2. 快速响应，ARP响应不再需要经过广播，单播，而是直接由交换机回送给发送设备。这在实际封包的时候能降低网络延时时间。
  3. 避免了ARP spoof。IP地址与MAC地址被静态的写入流表，篡改难度加大。

 

为虚拟IP发送GARP

SDN管理的环境中，虚拟IP可以配置在多个端口上，例如OpenStack Neutron 里的allowed address pair，可以将一个虚拟IP在多个端口上浮动配置。当虚拟IP从端口A移动到端口B时，需要通知数据链路中的其他端口虚拟IP对应的MAC地址发生变化，这个时候可以由SDN控制器代为发送GARP来更新数据链路中的设备的ARP cache。

为floatingIP做proxy ARP

前面说过NAT设备需要为对应的外网IP地址做ARP代答，否则数据包在最后一个链路无法获取MAC地址。SDN可以为floatingIP下发ARP代答流表，这样目的地址是floatingIP的数据包最终能发送到SDN 交换机并转发到实际的端口。

总结

传统的ARP协议的大部分实现都基于操作系统协议栈的响应。SDN的出现增加了网络实现的灵活性，通过SDN对ARP进行优化，能降低网络延时，减轻数据链路的负担，增加网络的安全性。