【计算机网络】ARP协议分析实验

一：实验目的

1：了解IP地址和MAC地址之间的关系。

2：掌握ARP命令的使用。

3：掌握ARP协议的工作细节。

4：了解ARP欺骗的原理和相关的攻击防范方法。

二：实验仪器设备及软件

硬件：RCMS-C服务器、网线、Windows 2019/2003操作系统的计算机等。

软件：记事本、WireShark、Chrome浏览器等。

三：实验方案

【实验的网络拓扑图】

四：实验步骤

1：按照网络拓扑图连接设备，配置两台计算机的IP地址和掩码。

首先利用多条网线，将PC1的网卡和三层交换机的端口0进行连接，将PC2的网卡和三层交换机的端口1进行连接。

然后打开Windows操作系统上的网络和Internet设置，启用内网并禁用外网。

最后打开内网的属性，配置ipv4的地址和子网掩码。这里需要保障PC1和PC2的网段一致，否则两台计算机无法通讯。

具体而言，2号计算机需要配置其ipv4地址为10.206.6.4、子网掩码为255.255.255.0。1号计算机需要配置其ipv4地址为10.206.6.2、子网掩码为255.255.255.0。

2：在两台计算机的命令窗口中执行arp -a命令，查看高速缓存中的ARP地址映射表的内容。

上图展示了2号计算机的ARP地址映射表，可以看出ARP映射分为动态和静态。此外，同一个局域网内的计算机的IP地址和物理地址存储在动态类型表项中。

3：在两台计算机的命令窗口中执行arp -d命令，清除ARP缓存，清除后可再用arp -a命令验证，记录实验结果。

上图展示了2号计算机的ARP地址映射表经过清除后的结果，可以发现此时只包含1个静态类型的表项。

4：在两台计算机上运行wireshark，启动捕获报文功能。

5：在主机PC1上执行ping PC2的命令，以产生数据报。

上图展示了PC2上执行ping PC1的操作，发送了4个数据包。

6：执行完毕，保存捕获的报文并命名为arp-1。

捕获的报文如上图，文件格式为pcapng。

捕获的请求报文如上图所示。发送方的MAC地址为e0:be:03:75:53:a9，IP地址为10.206.6.4。接收方的MAC地址为00:00:00:00:00:00，IP地址为10.206.6.2。报文信息为谁有10.206.6.2的MAC地址，请告诉10.206.6.4。

捕获的应答报文如上图所示。发送方的MAC地址为00:14:78:81:b4:b4，IP地址为10.206.6.2。接收方的MAC地址为e0:be:03:75:53:a9，IP地址为10.206.6.4。报文信息为10.206.6.2的MAC地址的回复传递。

7：在两台计算机上再次执行arp -a命令，查看高速缓存中的ARP地址映射表的内容。

可以发现ARP地址映射表中多了PC1的ip地址和物理地址的表项。

8：重复步骤4至步骤5，将此结果保存为arp-2。

再次运行的请求报文如下图所示。可以发现接收方的MAC地址有所改变。

再次运行的应答报文如下图所示。

五：实验结果及分析

1：分析步骤7和步骤3的实验结果，由此说明ARP高速缓存的作用。

步骤7和步骤3的实验结果不相同。

ARP高速缓存的作用在于存储最近解析过的IP地址到MAC地址的映射关系。当设备需要再次向同一目标设备发送数据包时，它可以直接从ARP缓存中查找MAC地址，而无需再次发送ARP请求，从而大大减少了数据包的传输延迟，提高了传输效率。

2：打开arp-1，回答问题。

【1】在捕获的报文中有几个ARP报文？在以太网帧中，ARP协议类型的代码值是什么？

2个ARP报文，包括1个请求报文和1个应答报文。

在以太网帧中，ARP协议类型的代码值是0x0806，如下图所示。

【2】比较两次捕获的报文arp-1和arp-2有何区别？分析其原因。

在第一次捕获时，接收方的MAC地址为00:00:00:00:00:00。在第二次捕获时，接收方的MAC地址为e0:be:03:75:53:a9。

因为在第一次捕获时，查询ARP地址映射表后发现没有接收方IP地址所对应的MAC地址，因而需要通过广播的方式获取，并且获取后存入ARP地址映射表中。因此在第二次捕获时，ARP地址映射表会通过接收方的IP地址，主动提供接收方的MAC地址。

【3】根据ARP报文格式，分析arp-1中ARP报文的结构，填表。

表1：ARP请求报文

字段	报文信息及参数
硬件类型	Ethernet
协议类型	IPv4
硬件地址长度	6
协议地址长度	4
操作	Request
源物理地址	e0:be:03:75:53:a9
源IP地址	10.206.6.4
目的物理地址	00:00:00:00:00:00
目的IP地址	10.206.6.2

表2：ARP应答报文

字段	报文信息及参数
硬件类型	Ethernet
协议类型	IPv4
硬件地址长度	6
协议地址长度	4
操作	Reply
源物理地址	00:14:78:81:b4:b4
源IP地址	10.206.6.2
目的物理地址	e0:be:03:75:53:a9
目的IP地址	10.206.6.4

3：通过构造特殊的ARP请求包或响应包，包含错误的IP地址和MAC地址的对应关系，并发送到网络，实现ARP协议的欺骗实验。讨论ARP协议能欺骗成功的原因。

通过arp/?命令，可以查询arp的所有命令。其中，arp -s可以进行ARP表项的手动添加。但是由于防火墙等因素，在Windows上仅仅通过cmd界面，无法进行欺骗实验。

ARP协议能欺骗成功主要是因为以下几个因素。（1）ARP协议缺乏验证机制：ARP协议在设计时默认信任以太网内的所有主机。当主机接收到ARP数据包时，不会进行任何认证就刷新自己的ARP缓存。因此，攻击者可以伪造ARP响应包，并成功欺骗目标主机。（2）ARP缓存表的动态性：ARP缓存表中存储的每条记录可以是静态的，也可以是动态的。如果是动态的，那么这条记录可以被ARP应答包修改。攻击者可以通过构造特殊的ARP响应包来修改目标主机的ARP缓存表。（3）广播通信方式：ARP请求包是以广播形式发送的，而ARP响应包则是单播发送的。攻击者可以轻松地伪造ARP响应包，并将其发送到整个网络，从而实现对多个主机的欺骗。

4：讨论防止ARP欺骗的方法。

（1）静态ARP绑定。

（2）使用虚拟局域网VLAN。

（3）采用IPSec VPN。

（4）采用ARP防火墙。

（5）密码保护、网络监控、安装欺骗防护软件等。

5：分析ARP协议通过三层交换机的VLAN路由在不同网段间的解析过程。

配置三层交换机的VLAN 10端口。