1、原理概述
· ARP(Address Resolution Protocol)是用来将IP地址解析为MAC地址的协议。ARP表项可以分为动态和静态两种类型。动态ARP是利用ARP广播报文，动态执行并自动进行IP地址到以太网MAC地址的解析，无需网络管理员手工处理。静态ARP是建立IP地址和MAC地址之间固定的映射关系，在主机和路由器上不能动态调整此映射关系，需要网络管理员手工添加。设备上有一个ARP高速缓存(ARP cache)，用来存放IP地址到MAC地址的映射表，利用ARP请求和应答报文来缓存映射表，以便能正确地把三层数据包封装成二层数据帜，达到快速封装数据帜、正确转发数据的目的。另外ARP还有扩展应用功能，比如ProxyARP功能。
Proxy ARP，即代理ARP，当主机上没有配置默认网关地址(即不知道如何到达本地网络的网关设备)，可以发送一个广播ARP请求(请求目的主机的MAC地址)，使具备ProxyARP功能的路由器收到这样的请求后，在确认请求地址可达后，会使用自身的MAC地址作为该ARP请求的回应，使得处于不同物理网络的同一网段的主机之间可以正常通信。
2、实验目的
- 理解ARP工作原理
- 掌握配置静态ARP的方法
- 理解Proxy ARP的工作原理
- 掌握Proxy ARP的配置
- 理解主机之间的通信过程
3、实验内容
本实验模拟公司网络场景。路由器R1是公司的出口网关，连接到外网。公司内所有员工使用10.1.0.0/16网段，通过交换机连接到网关路由器上。网络管理员通过配置静态ARP防止ARP欺骗攻击，保证通信安全。又由于公司内所有主机都没有配置网关，且分属于不同广播域，造成无法正常通信，网络管理员需要通过在路由器上配置ARP代理功能，实现网络内所有主机的通信。
4、实验拓扑
· ARP及ARP Proxy的拓扑如图2-2所示。
图2-2 理解 ARP 及 ARP Proxy 拓扑
5、实验编址
实验编址见表2-2。
|-----|----------------|------------|---------------|------|
| 表 2-2 || 实验编址 |||
| 设备 | 接口 | IP地址 | 子网掩码 | 默认网关 |
| R1 | GE0/0/1 | 10.1.1.254 | 255.255.255.0 | N/A |
| R1 | GE0/0/2 | 10.1.2.254 | 255.255.255.0 | N/A |
| PC1 | Ethernet 0/0/1 | 10.1.1.1 | 255.255.0.0 | N/A |
| PC2 | Ethernet 0/0/1 | 10.1.1.2 | 255.255.0.0 | N/A |
| PC3 | Ethernet 0/0/1 | 10.1.2.3 | 255.255.0.0 | N/A |
6、实验步骤
1）基本配置
根据实验编址表进行相应的基本IP地址配置，并使用ping命令检测各直连链路的连通性，如图2-3所示。
图2-3 配置PC-1的IP地址
根据实验编址配置PC主机的IP地址及对应的掩码，掩码长度是16。配置完成后，在命令行下使用arp-a命令查看主机的ARP表。
PC>arp -a
Internet Address Physical Address Type
PC>
查看到ARP表项为空，没有任何条目在里面。
根据实验编址配置路由器R1的接口IP地址，掩码长度为24。
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 10.1.1.254 255.255.255.0
[R1-GigabitEthernet0/0/1]undo shutdown
[R1-GigabitEthernet0/0/1]quit
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/2]ip address 10.1.2.254 255.255.255.0
[R1-GigabitEthernet0/0/2]undo shutdown
[R1-GigabitEthernet0/0/2]quit
配置完成后，使用display arp all命令查看R1的ARP表。
[R1]display arp all
IP ADDRESS MAC ADDRESS EXPIRE(M) TYPE INTERFACE VPN-INSTANCE
VLAN/CEVLAN PVC
------------------------------------------------------------------------------
10.1.1.254 00e0-fc0f-5e64 I - GE0/0/0
10.1.2.254 00e0-fc0f-5e65 I - GE0/0/1
------------------------------------------------------------------------------
Total:2 Dynamic:0 Static:0 Interface:2
ARP表中仅含有R1的两个接口IP地址及与其对应的MAC地址的ARP表项，没有其他条目。
在PC-1上使用ping命令测试到网关R1和PC-2的连通性。
PC>ping 10.1.1.254
Ping 10.1.1.254: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=1 ttl=255 time=62 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=2 ttl=255 time=47 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=3 ttl=255 time=47 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=4 ttl=255 time=31 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=5 ttl=255 time=32 ms
--- 10.1.1.254 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 31/43/62 ms
PC>
PC>ping 10.1.1.2
Ping 10.1.1.2: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.1.2: bytes=32 seq=1 ttl=128 time=31 ms
From 10.1.1.2: bytes=32 seq=2 ttl=128 time=31 ms
From 10.1.1.2: bytes=32 seq=3 ttl=128 time=47 ms
From 10.1.1.2: bytes=32 seq=4 ttl=128 time=31 ms
From 10.1.1.2: bytes=32 seq=5 ttl=128 time=47 ms
--- 10.1.1.2 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 31/37/47 ms
PC>
在PC-3上，使用ping命令测试到网关R1的连通性。
PC>ping 10.1.2.254
Ping 10.1.2.254: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.2.254: bytes=32 seq=1 ttl=255 time=78 ms
From 10.1.2.254: bytes=32 seq=2 ttl=255 time=47 ms
From 10.1.2.254: bytes=32 seq=3 ttl=255 time=31 ms
From 10.1.2.254: bytes=32 seq=4 ttl=255 time=31 ms
From 10.1.2.254: bytes=32 seq=5 ttl=255 time=31 ms
--- 10.1.2.254 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 31/43/78 ms
PC>
可以观察到，直连网络连通性正常。
当主机和网关之间有数据访问时，如果ARP表中没有目标IP地址与目标MAC地址的对应表项，ARP协议会被触发，向直连网段发送ARP广播请求包，请求目标IP地址所对应的MAC地址。图2-4是PC-1发送的ARP广播请求，请求目标IP 10.1.1.254的MAC地址。
图2-4 PC-1发送的ARP广播请求报文
网关收到广播请求后，回应单播的ARP响应，里面含有自身IP地址与MAC地址的对应关系，如图2-5所示
图2-5 ARP响应报文
PC和R1都会从这一对消息中知道对方的IP地址与MAC地址的对应关系，并将它写到各自的ARP表中。在PC-1上ping网关10.1.1.254后，在PC上使用arp -a命令查看，在R1上使用display arp all命令查看。
PC>arp -a
Internet Address Physical Address Type
10.1.1.254 00-E0-FC-0F-5E-64 dynamic
PC>
<R1>display arp all
IP ADDRESS MAC ADDRESS EXPIRE(M) TYPE INTERFACE VPN-INSTANCE
VLAN/CEVLAN PVC
------------------------------------------------------------------------------
10.1.1.254 00e0-fc0f-5e64 I - GE0/0/0
10.1.1.1 5489-9834-130f 20 D-0 GE0/0/0
10.1.2.254 00e0-fc0f-5e65 I - GE0/0/1
10.1.2.3 5489-98bc-216d 15 D-0 GE0/0/1
------------------------------------------------------------------------------
Total:4 Dynamic:2 Static:0 Interface:2
可以观察到，在PC-1上生成了网关IP地址10.1.1.254和与其对应的MAC地址的ARP表项，在R1上生成了PC-1的IP地址10.1.1.1和与其对应的MAC地址的ARP表项。上述出现在PC和R1里面的条目都是动态生成的。如果一段时间之后没有更新，便会从上述ARP表中删除。
2）配置静态ARP
上述ARP协议的工作行为往往被攻击者利用。如果攻击者发送伪造的ARP报文，而且报文里面所通告的IP地址和MAC地址的映射是错误的，则主机或网关会把错误的映射更新到ARP表中。当主机要发送数据到指定的目标IP地址时，从ARP表里得到了不正确的硬件MAC地址，并用之封装数据帜，导致数据幅无法正确发送。
由于公司内主机感染了这种ARP病毒，所以主机对网关R1进行ARP攻击，向网关R1通告含错误映射的ARP通告，导致网关路由器上使用不正确的动态ARP映射条目，造成其他主机无法与网关正常通信。
模拟ARP攻击发生时，网络的通信受到了影响。在网关R1上，使用arp static 10.1.1.1 5489-9834-140f命令在路由器上静态添加一条关于PC-1的错误的ARP映射，假定此映射条目是通过一个ARP攻击报文所获得的(静态的条目优于动态的条目)，所以错误的映射将出现在ARP表中。
[R1]arp static 10.1.1.1 5489-9834-140f
使用 display arp all命令查看ARP表，并使用ping测试PC-1和网关间的连通性。
[R1]display arp all
IP ADDRESS MAC ADDRESS EXPIRE(M) TYPE INTERFACE VPN-INSTANCE
VLAN/CEVLAN PVC
------------------------------------------------------------------------------
10.1.1.254 00e0-fc0f-5e64 I - GE0/0/0
10.1.2.254 00e0-fc0f-5e65 I - GE0/0/1
10.1.2.3 5489-98bc-216d 9 D-0 GE0/0/1
10.1.1.1 5489-9834-140f S--
------------------------------------------------------------------------------
Total:4 Dynamic:1 Static:1 Interface:2
[R1]ping 10.1.1.1
PING 10.1.1.1: 56 data bytes, press CTRL_C to break
Request time out
Request time out
Request time out
Request time out
Request time out
--- 10.1.1.1 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
0 packet(s) received
100.00% packet loss
[R1]
PC>ping 10.1.1.254
Ping 10.1.1.254: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
Request timeout!
Request timeout!
Request timeout!
Request timeout!
Request timeout!
--- 10.1.1.254 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
0 packet(s) received
100.00% packet loss
可以观察到，PC-1与网关间无法通信，因为在路由器R1上ARP的映射错误，导致路由器无法正确地发送数据包给PC-1。在R1 GE0/0/1接口抓包观察，如
图2-6 抓包现象
可以观察到，由于配置了静态ARP，R1发往PC-1的ping包的二层头部，目的MAC地址被错误地封装为5489-98CF-2803。
应对ARP欺骗攻击,防止其感染路由器的ARP表,可以通过配置静态ARP表项来实现。如果IP地址和一个MAC地址的静态映射已经出现在ARP表中,则通过动态ARP方式学来的映射则无法进入ARP表。所以针对公司网络的现状,网络管理员在R1上手工配置三条关于PC-1、PC-2和PC-3的正确ARP映射。使用arp static命令,配置如下。
[R1]undo arp static 10.1.1.1 5489-9834-140f
[R1]arp static 10.1.1.1 5489-9834-130f
[R1]arp static 10.1.1.2 5489-98f9-743f
[R1]arp static 10.1.2.3 5489-98bc-216d
[R1]display arp all
IP ADDRESS MAC ADDRESS EXPIRE(M) TYPE INTERFACE VPN-INSTANCE
VLAN/CEVLAN PVC
------------------------------------------------------------------------------
10.1.1.254 00e0-fc0f-5e64 I - GE0/0/0
10.1.2.254 00e0-fc0f-5e65 I - GE0/0/1
10.1.1.1 5489-9834-130f S--
10.1.1.2 5489-98f9-743f S--
10.1.2.3 5489-98bc-216d S--
------------------------------------------------------------------------------
Total:5 Dynamic:0 Static:3 Interface:2
配置完成后，在PC-1上测试。
PC>ping 10.1.1.254
Ping 10.1.1.254: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=1 ttl=255 time=47 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=2 ttl=255 time=31 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=3 ttl=255 time=31 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=4 ttl=255 time=47 ms
From 10.1.1.254: bytes=32 seq=5 ttl=255 time=32 ms
--- 10.1.1.254 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 31/37/47 ms
可以观察到，配置后连通性恢复正常。
公司网络中出现ARP攻击的情况是比较常见的，防御的办法之一是在ARP表中手工添加ARP映射。此种方法的优点是简单易操作，不足之处是网络中每个网络设备都有ARP表，要全方位保护网络就要在尽可能多的三层设备上把全网的ARP映射手工写入到ARP表里，工作量过大，如果更换IP或MAC后，还需要手工更新ARP映射，远没有动态ARP协议维护ARP表方便。但如果公司网络规模不大或者网络设备不多的情况下，静态ARP方案还是具有一定优势的。
3）配置Proxy ARP
目前公司的网络被路由器R1分割为两个独立的广播域，每个路由器接口对应一个IP网络，分别是10.1.1.0/24和10.1.2.0/24，查看R1的路由表。
[R1]display ip routing-table
Route Flags: R - relay, D - download to fib
------------------------------------------------------------------------------
Routing Tables: Public
Destinations : 10 Routes : 10
Destination/Mask Proto Pre Cost Flags NextHop Interface
10.1.1.0/24 Direct 0 0 D 10.1.1.254 GigabitEthernet
0/0/0
10.1.1.254/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GigabitEthernet
0/0/0
10.1.1.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GigabitEthernet
0/0/0
10.1.2.0/24 Direct 0 0 D 10.1.2.254 GigabitEthernet
0/0/1
10.1.2.254/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GigabitEthernet
0/0/1
10.1.2.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 GigabitEthernet
0/0/1
127.0.0.0/8 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0
127.0.0.1/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0
127.255.255.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0
255.255.255.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0
[R1]
默认情况下，路由器上的ARP代理功能是关闭的。
如果R1保持ARP代理功能关闭的情况，则PC-2和PC-3之间不能互相通信。在PC-2上，使用ping访问10.1.2.3，并在PC-2的E0/0/1接口上抓包来观察，如图2-7所示。
PC>ping 10.1.2.3
Ping 10.1.2.3: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.1.1: Destination host unreachable
From 10.1.1.1: Destination host unreachable
From 10.1.1.1: Destination host unreachable
From 10.1.1.1: Destination host unreachable
From 10.1.1.1: Destination host unreachable
图2-7 抓包观察
可以观察到，PC-2发出了ARP广播，却一直没有收到ARP响应。原因是PC-2和PC-3分处在两个广播域内，PC-2发的ARP请求无法跨越中间的路由器，所以PC-3收不到PC-2的ARP请求，PC-2也无法知晓目标主机PC-3的硬件MAC地址而导致数据封装失败。
但R1如果开启ARP代理之后，看是否能够解决这个问题。配置arp-proxy enable命令在路由器的接口上来开启ARP代理功能。
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]arp-proxy enable
启用ARP代理之后，同样的测试，在PC-2上访问PC-3，并在PC-2的E0/0/1接口抓包观察，如图2-8所示。
图2-8 抓包现象
可以观察到，PC-2发出了ARP请求并收到了ARP响应，但响应中10.1.2.3所对应的硬件MAC地址并非是PC-3的MAC地址，而是网关R1的GE0/0/0接口MAC地址。
PC>arp -a
Internet Address Physical Address Type
10.1.2.3 00-E0-FC-0F-5E-64 dynamic
开启ARP代理后，PC-2访问PC-3的工作过程如下。
R1的接口GE0/0/0开启了ARP代理后，收到PC-2的ARP广播请求报文后，R1根据ARP请求中的目标IP地址10.1.2.3查看自身的路由表中是否有对应的目标网络，R1的GE0/0/1接口就是10.1.2.0/24网络，所以，R1直接把自身的GE0/0/0接口的MAC地址通过ARP响应返回给PC-2，PC-2接收到此ARP响应后使用该MAC作为目标硬件地址发送报文给R1，R1收到后再把报文转发给PC-3。
同理，PC-3要能访问R1连接的其他广播域的PC，也需要在R1的GE0/0/2接口上开启ARP代理功能。
[R1]interface GigabitEthernet 0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]arp-proxy enable
配置完成后，测试PC-3与PC-1间的连通性。
PC>ping 10.1.1.1
Ping 10.1.1.1: 32 data bytes, Press Ctrl_C to break
From 10.1.1.1: bytes=32 seq=1 ttl=127 time=78 ms
From 10.1.1.1: bytes=32 seq=2 ttl=127 time=47 ms
From 10.1.1.1: bytes=32 seq=3 ttl=127 time=46 ms
From 10.1.1.1: bytes=32 seq=4 ttl=127 time=63 ms
From 10.1.1.1: bytes=32 seq=5 ttl=127 time=78 ms
--- 10.1.1.1 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 46/62/78 ms
可以观察到，通信正常。
如果IP网络过大，广播对网络的影响也相应增大。在不改变网络主机配置的情况下，由管理员在网络中透明地插入一台路由器，靠路由器分割出多个广播域，降低了广播对网络的影响。在当前的IP网络中，此种做法并不多见。其缺点是主机间的通信会因为引入额外的路由器而延迟增大，并存在着瓶颈问题，所以一般只作为临时解决方案使用。