proxy ARP 和 gratuitous ARP
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网络编程

1591 字
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15 分钟

前言

在上一篇中(ARP 介绍（一）)，我们介绍 ARP，这一链路层协议，用于将 IP 映射成 MAC，以将使得数据包可以在以太网中传播。

本文，将介绍 APR 的其他应用场景：proxy ARP、gratuitous ARP

注：本文只是概念性的介绍，并未做实验进行验证。

proxy ARP

相关链接：

  1. RFC 1027 – Using ARP to implement transparent subnet gateways
  2. 了解代理ARP – Cisco

工作流程

工作的环境背景：

  1. 如果ARP请求，从一个网络的主机，发往同一网段，但不在同一物理网络上的另一台主机，那么连接这两个网络的设备(路由器)，就可以回答该ARP请求，这个过程称作ARP代理(Proxy ARP)。
  2. 路由器接口配置不同网段，主机配置更宽的掩码。主机“以为”对方在同网段，路由器“撒谎”代答 ARP。
┌─────────────────────────────────────────┐
│  主机配置（宽掩码，认为同网段）            │
│  • 主机A: 10.1.1.10 /16                 │
│  • 主机B: 10.1.2.20 /16                 │
│  • 两者计算：10.1.0.0 == 10.1.0.0 ✓     │
└─────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────┐
│  路由器配置（窄掩码，实际不同网段）        │
│  • G0/0: 10.1.1.1 /24                   │
│  • G0/1: 10.1.2.1 /24                   │
│  • 开启代理 ARP                          │
└─────────────────────────────────────────┘

网络流程：

主机 A：通信准备
├─ 用户执行命令：ping 192.168.2.20
├─ 主机 A 计算目标网段：192.168.2.20 & 255.255.0.0
├─ 主机 A 判断：目标 IP 与本机 IP 在同一网段
└─ 主机 A 决策：不走网关，直接发起 ARP 请求

主机 A：发送 ARP 请求
├─ 构造 ARP Request 报文
│ ├─ 发送端 MAC：MAC_A
│ ├─ 发送端 IP：192.168.1.10
│ ├─ 目标端 MAC：00:00:00:00:00:00
│ └─ 目标端 IP：192.168.2.20 (Target IP)
├─ 封装以太网帧
│ └─ 目的 MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF (广播)
└─ 动作：从网卡发出广播报文

路由器：接收与初步检查
├─ 接口 (G0/0) 收到广播帧
├─ 检查目的 MAC：是广播地址 → 接收
├─ 检查协议类型：是 ARP (0x0806)
├─ 解析 ARP 报文：提取 Target IP = 192.168.2.20
├─ 判断 1：Target IP 是否是路由器本机接口 IP？
│ ├─ 是 → 走普通 ARP 响应流程 (回复本机接口 MAC)，流程结束
│ └─ 否 → 如果未开启 proxy arp，丢弃，流程结束。否则，继续判断
│
├─ 判断 2：查询路由表，是否存在通往 192.168.2.20 的路由？
│ ├─ 否 (无路由) → 丢弃报文，流程结束
│ └─ 是 (有路由) → 记录出接口 (例如 G0/1)，继续判断
│
└─ 判断 3：路由出接口 是否等于 收到请求的入接口？
├─ 是 (出接口 == 入接口) → 丢弃报文 (防止环路/次优路径)，流程结束
└─ 否 (出接口 != 入接口) → 满足代理 ARP 条件，进入响应构造

路由器：构造代理 ARP 响应
├─ 构造 ARP Reply 报文
│ ├─ 操作码：设置为 2 (Reply)
│ ├─ 发送端 MAC：设置为入接口 (G0/0) 的 MAC 地址 (关键)
│ ├─ 发送端 IP：设置为 Target IP (192.168.2.20) (冒充目标)
│ ├─ 目标端 MAC：设置为主机 A 的 MAC (MAC_A)
│ └─ 目标端 IP：设置为 主机 A 的 IP (192.168.1.10)
├─ 封装以太网帧
│ └─ 目的 MAC：MAC_A (单播发送，不再广播)
└─ 动作：从入接口 (G0/0) 发送响应报文

主机 A：接收响应并更新缓存
├─ 收到 ARP Reply 单播报文
├─ 验证目标 IP：匹配本机 IP → 接收
├─ 更新 ARP 缓存表
│ ├─ IP 地址：192.168.2.20
│ └─ MAC 地址：路由器的 G0/0 接口 MAC (注意：不是主机 B 的真实 MAC)
└─ 动作：缓存更新完成，开始发送数据

主机 A：发送 ICMP 数据报文
├─ 构造 IP 包
│ ├─ 源 IP：192.168.1.10
│ └─ 目的 IP：192.168.2.20
├─ 封装以太网帧
│ ├─ 源 MAC：MAC_A
│ └─ 目的 MAC：路由器的 G0/0 接口 MAC (基于 ARP 缓存)
└─ 动作：发送数据帧给路由器

路由器：三层数据转发
├─ 接口 (G0/0) 收到数据帧
├─ 检查目的 MAC：匹配本机 → 接收并解封装
├─ 检查目的 IP：192.168.2.20
├─ 查询路由表：匹配到出接口 G0/1，下一跳为直连
├─ 查询 ARP 缓存：是否有 192.168.2.20 的真实 MAC？
│ ├─ 无 → 从 G0/1 接口发起正常 ARP 请求 获取主机 B 的真实 MAC
│ └─ 有 → 直接使用
├─ 重新封装以太网帧
│ ├─ 源 MAC：路由器 G0/1 接口 MAC
│ ├─ 目的 MAC：主机 B 的真实 MAC
│ ├─ 源 IP：192.168.1.10 (保持不变)
│ └─ 目的 IP：192.168.2.20 (保持不变)
└─ 动作：从 G0/1 接口转发给主机 B

主机 B：接收数据
├─ 收到数据帧
├─ 检查目的 MAC：匹配本机 → 接收
├─ 检查目的 IP：192.168.2.20 → 匹配
└─ 动作：上交 ICMP 协议栈，准备回复 Ping

代价：主机 A ARP 表中，10.1.2.20 的 MAC 地址是路由器的 MAC（不是 B 的真实 MAC）。

动机

看完 proxy arp 流程后，我们的第一反应可能是，proxy arp 是一种善意的 arp 欺骗。

为什么需要 proxy arp？它有什么应用场景？

  1. 让主机在无需感知子网存在的前提下，实现跨物理网络的通信。（主机的子网掩码配置的很宽）
  2. 正常稳定运行的情况下，完全不需要 proxy arp？不同物理网络上的机器，就应该使用不同的网段，正常的走路由？
  3. 没见过的网络场景，了解下即可。

gratuitous ARP

gratuitous ARP（GARP， 免费 ARP）没有专门的独立 RFC 文档。

RFC 5227 – IPv4 Address Conflict Detection 是最接近 “gratuitous ARP 规范” 的文档。

但是，本文并不想涉及 IP 的冲突检测。

本文，仅仅简单介绍 gratuitous ARP 的基本概念。

基本概念

gratuitous ARP 的含义：设备未经请求而发送的 ARP 广播消息，用于向本地网络通告其 IP 地址到 MAC 地址的映射关系。

gratuitous ARP 的特征：

  1. ARP 数据包中的源 IP 地址和目标 IP 地址，设置为发送方自身的 IP 地址。
  2. 目标 MAC 地址是广播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）
  3. 它不是对传统 ARP 请求的响应；它是主动发送的。

gratuitous ARP 的作用：

  1. 当设备启动或加入网络时，它会发送一个请求类型的 gratuitous ARP。如果收到回复，则表明该 IP 地址已被其他设备占用。
  2. 如果更换了网络接口卡，设备会使用 gratuitous ARP， 通知其他设备使用新的 MAC 地址更新其 ARP 表。

试验

设备启动的时候可以发送一个gratuitous ARP

# 机器A上，开启arp_notify，然后down/up 网卡

root@localhost ~/tmp# ip a
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:78:ea:80 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp3s0
    inet 192.168.59.111/23 brd 192.168.59.255 scope global dynamic noprefixroute ens160

root@localhost ~/tmp# sysctl -a | grep arp_notify | grep ens160
net.ipv4.conf.ens160.arp_notify = 0
root@localhost ~/tmp# sysctl -w net.ipv4.conf.ens160.arp_notify=1
net.ipv4.conf.ens160.arp_notify = 1

root@localhost ~/tmp# ip link set ens160 down
root@localhost ~/tmp# ip link set ens160 up

在同一广播域下的另一台设备上抓包。

gratuitous-arp-1

gratuitous ARP 可以是 reply 类型

使用 arping(8) 命令，发送一个 reply opcode 的 gratuitous ARP。

root@localhost ~# arping -A -c 1 -I ens160 192.168.59.111

在同一广播域下的另一台设备上抓包。

gratuitous-arp-2

arp 行为控制参数

上面只介绍了两种。我们可以在 kernel.org/doc/Documentation/networking/ip-sysctl.txt 中，查看 kernel arp 总共有哪些控制参数。

root@localhost ~# sysctl -a | grep arp
net.ipv4.conf.all.arp_accept = 0
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 0
net.ipv4.conf.all.arp_filter = 0
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 0
net.ipv4.conf.all.arp_notify = 0
net.ipv4.conf.all.drop_gratuitous_arp = 0
net.ipv4.conf.all.proxy_arp = 0
net.ipv4.conf.all.proxy_arp_pvlan = 0
net.ipv4.conf.default.arp_accept = 0
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 0
net.ipv4.conf.default.arp_filter = 0
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 0
net.ipv4.conf.default.arp_notify = 0
net.ipv4.conf.default.drop_gratuitous_arp = 0
net.ipv4.conf.default.proxy_arp = 0
net.ipv4.conf.default.proxy_arp_pvlan = 0
net.ipv4.conf.ens160.arp_accept = 0
net.ipv4.conf.ens160.arp_announce = 0
net.ipv4.conf.ens160.arp_filter = 0
net.ipv4.conf.ens160.arp_ignore = 0
net.ipv4.conf.ens160.arp_notify = 0
net.ipv4.conf.ens160.drop_gratuitous_arp = 0
net.ipv4.conf.ens160.proxy_arp = 0
net.ipv4.conf.ens160.proxy_arp_pvlan = 0

作用范围

可以看到，对于同一个控制参数，又分为了三类：default、all、<ifname>

default 一个网卡在新建的时候，使用的默认值。

all是一份全局配置。在运行的时候，和接口的值进行组合运算。组合的方式有三种：

组合方式直觉
ANDall 和接口 都为真 才为真（更严）
OR任一为真 即为真（更宽）
MAX取两者较大

<ifname>该接口自己的配置。

控制参数

找 AI 生成下，这些参数的作用。

参数控制方向作用典型问题
arp_ignore入站是否响应ARPARP Flux
arp_announce出站ARP源IP选择IP混乱
arp_filter入站基于路由过滤错误响应
arp_accept入站接收GARPARP欺骗 / VIP
arp_notify出站发送GARPIP变更通知
drop_gratuitous_arp入站丢弃GARPARP攻击
proxy_arp入站+出站代理ARP子网通信

arp_ignore

这里这看一个 arp_ignore 。其他的参数，也不想挨个去看了。

它的源码位于：linux/net/ipv4/arp.c at master · torvalds/linux

#define IN_DEV_ARP_IGNORE(in_dev)	IN_DEV_MAXCONF((in_dev), ARP_IGNORE)

static int arp_ignore(struct in_device *in_dev, __be32 sip, __be32 tip)
{
	struct net *net = dev_net(in_dev->dev);
	int scope;

	switch (IN_DEV_ARP_IGNORE(in_dev)) {
	case 0:	/* Reply, the tip is already validated */
		return 0;
	case 1:	/* Reply only if tip is configured on the incoming interface */
		sip = 0;
		scope = RT_SCOPE_HOST;
		break;
	case 2:	/*
		 * Reply only if tip is configured on the incoming interface
		 * and is in same subnet as sip
		 */
		scope = RT_SCOPE_HOST;
		break;
	case 3:	/* Do not reply for scope host addresses */
		sip = 0;
		scope = RT_SCOPE_LINK;
		in_dev = NULL;
		break;
	case 4:	/* Reserved */
	case 5:
	case 6:
	case 7:
		return 0;
	case 8:	/* Do not reply */
		return 1;
	default:
		return 0;
	}
	return !inet_confirm_addr(net, in_dev, sip, tip, scope);
}

不能看懂它的源码，但是对于这个参数的使用，可以猜测八九不离十。

  • 配置有效是采用 MAX 的方式进行运算。
  • 0 ：默认行为，总是回复 arp 。
  • 1 ：arp 包中的 tip 字段， 配置在收包的这个网卡上，才回复
  • 2：(arp 包中的 tip 字段， 配置在收包的这个网卡上) && (sip 和 tip 在同一个网段)
  • 3：scope 为 host 的 不回复。（这里涉及到，IP scope 分为 host(自己用), link(二层使用，不可路由), global(可路由)，是地址属性。为什么要有这个属性标签？它又是怎么用的？不知道，哪天查查。）
  • 4,5,6,7：保留，和 0 是等效。
  • 8：不回复 arp
network
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