ARP协议与DNS协议详解_dns与arp

一、ARP协议

1.工作原理

ARP协议能实现任意网络层地址到任意物理地址的转换，在此只讨论从IP地址到以太网地址（MAC地址）的转换。

该协议主要工作流程是：主机向自己所在的网络广播一个ARP请求，该请求包含目标机器的网络地址，此网络上的其它机器都将收到这个请求，但只有目标机器会回应一个ARP应答，其中包含自己的物理地址

2.以太网ARP请求/应答报文详解

以太网ARP请求/应答报文的格式如图：

• 硬件类型：定义物理地址的类型，1表示MAC地址
• 协议类型：表示要映射的协议地址类型，0x800表示IP地址
• 硬件地址长度：表示硬件地址的长度，单位字节，MAC地址长度为6
• 协议地址长度：表示协议地址的长度，单位字节，IP（v4）地址长度为4
• 操作：1代表ARP请求，2代表ARP应答，3代表RARP请求，4代表RARP应答
• 后四个字段如其名，分别指定发送与接收端的以太网地址（MAC地址）和IP地址。

后4个字段的使用：

发送端填充除目的端以太网地址的其它三个字段，以构建ARP请求发送，接收端发现该请求的目的端IP地址是自己，就将自己的MAC地址填入，然后交换两个目的端地址和两个发送端地址，构建ARP应答返回

注意：虽然由上图可计算出一个ARP请求的长度为28个字节，再加上以太网帧头部和尾部的18个字节为46个字节。但由于部分实现要求以太网帧的数据部分至少46个字节，这种情况下一个ARP请求的以太网帧长度为64字节

3.ARP高速缓存的查看和修改

通常ARP会维持一个高速缓存，其中包含经常访问或最近访问的机器IP地址到物理地址的映射，这样可避免重复发送ARP请求。

Linux下可使用arp -a命令进行查看

Windows下可win+R快捷键，输入cmd进入黑窗口，arp -a命令查看

先将Linux的网关IP删除：

然后用到tcpdump工具进行抓包

开启另外一个终端，进行网络通信

可以看到前两个数据包显示了出来：

00:15:5d:25:c8:a4 > ff:ff:ff:ff:ff:ff, ethertype ARP (0x0806), length 42: Request who-has 172.23.192.1 tell 172.23.202.139, length 28
1

解析：

• 00:15:5d:25:c8:a4：本机的物理地址
• ff:ff:ff:ff:ff:ff：广播地址
• ethertype ARP (0x0806)：表示该以太网帧为ARP协议
• length 42：该以太网帧的长度为42字节，因未计算最后4个字节CRC字段，实际为46字节。
• Request ：表示发送的是请求包
• who-has 172.23.192.1 tell 172.23.202.139：谁是172.23.192.1就请将物理地址发送给72.23.202.139（我的局域网IP）
• length 28：表示数据部分为28字节。

整句话的意思就是，我向当前局域网所有主机发送了一个ARP请求，谁的IP是172.23.192.1，就请将你的物理地址发送给我。

00:15:5d:27:ee:00 > 00:15:5d:25:c8:a4, ethertype ARP (0x0806), length 42: Reply 172.23.192.1 is-at 00:15:5d:27:ee:00, length 28
1

有了第一句请求，就有了第二句应答

物理地址为00:15:5d:27:ee:00向我发送了ARP应答数据包，告诉我IP地址为172.23.192.1的主机物理地址为00:15:5d:27:ee:00

现在再进行查看，本机ARP缓存中又有了网关IP和物理地址的映射了

我wget www.baidu.com，明明是下载的百度主页，为什么我说这是网关的IP和物理地址的映射呢？

因为我这是局域网，局域网主机只能通过网关与外界通信，所以第一步必须要先找到主机的物理地址。

二、DNS协议

上面我使用了www.baidu.com,但IP层其实只能通过IP进行定位主机。

但问题是，这么一连串的数字IP，普通人很难记忆，所以就有了DNS协议，将具有一定规范的名称与IP地址再进行一次映射。这就是我们常用的网站名，也称域名。

域名查询服务有多种实现方式，比如NIS(Network Information Service,网络信息服务），DNS和本地静态文件。这里只讲解DNS。

1.工作原理

DNS是一套分布式的域名服务系统，每个DNS服务器上都存着大量的机器名和IP地址的映射，并且是动态更新的。

DNS查询和应答报文的格式如图：

• 16位标识：用于标记一对DNS查询和应答，用于区分一个DNS应答是哪个DNS查询的回应
• 16位标志：用于协商具体的通信方式和反馈通信状态。细节如下图：
• 后四个字段则分别指出DNS报文的最后四个字段的资源记录数目
  
  - QR：查询应答标志，0代表查询，1代表应答
  - opcode：查询应答的类型，0为标准查询，1为反向查询（IP获得域名），2为请求服务器状态。
  - AA：授权应答标志，仅有应答报文使用，1表示域名服务器是授权服务器
  - TC：截断标志，仅当DNS使用了UDP服务时使用。因UDP报文超过512字节就会被截断。
  - RD：递归查询标志。1表示执行递归查询，即目标DNS无法解析某个主机名，则交个其它其它DNS服务器，以此递归查询。0表示执行迭代查询，如果目标DNS无法解析某个主机名，则将自己知道的DNS服务器IP地址返回给客户端，供客户端参考。
  - RA：允许递归标志，仅供应答报文使用，1代表DNS服务器支持递归查询。
  - zero：未使用，必须为0
  - rcode：返回码，表示应答状态，如0表示无错误，3表示域名不存在

对于查询报文来说，一般包含1个查询问题，而应答资源记录数、授权资源记录数和额外资源记录数则为0。

对于应答报文来说，应答资源记录数至少为1，而授权资源记录数和额外资源记录数可为0或非0

查询问题的格式：

• 查询名：以一定格式封装了要查询的主机域名
• 16位查询类型：表示如何执行查询操作，类型A，值1，表示获取目标主机IP地址。类型CNAME，值5，表示获取目标主机的别名。类型PTR，值12，表示反向查询
• 16位查询类：通常位1，表示获取因特网地址（IP地址）
  应答字段、授权字段和额外信息字段都使用资源记录（Resource Record，RR）格式，如图：
  
• 32位域名：该记录中与资源对应的名字，格式与查询问题中的查询名字段相同。
• 16位类型和16位类：与DNS查询问题对应字段相同
• 32位生存时间：表示该查询记录可被本地客户端程序缓存多长时间，单位为秒。
• 16位资源数据长度和资源数据：取决于类型字段，如类型A，资源数据是32位的IPv4地址，而资源数据长度为4.

2.DNS协议分析

方法与上面类似，先运行一个终端执行tcpdump进行抓包，再开启一个终端运行host命令使用DNS协议进行查询目标域名的IP地址。

这里指定了port domain，表示只抓取域名服务器的数据包，即DNS查询和应答报文

host命令指定-t A，表示使用A类型的查询类型。

输出如下：

IP 172.23.202.139.39654 > 172.23.192.1.53: 60805+ A? www.baidu.com. (31)
IP 172.23.192.1.53 > 172.23.202.139.39654: 60805- 3/0/0 CNAME www.a.shifen.com., A 220.181.38.149, A 220.181.38.150 (122)
1
2

格式为IP.端口 > IP.端口

比如第一个数据包，为172.23.202.139的39654端口发向172.23.192.1的53端口，60805表示DNS的查询报文的标识值，因此再下一条DNS应答报文中也出现了相同的值。后面‘+’表示启用递归查询标志，‘A？’表示使用A类型的查询方式，www.baidu.com表示DNS查询问题中的查询名，括号31表示DNS查询报文的长度，单位为字节。

第二个数据包类似，不同的是后面的一段，‘3/0/0’表示该报文中包含3个应答资源记录，0个授权资源记录和0个额外信息记录。‘CNAME www.a.shifen.com., A 220.181.38.149, A 220.181.38.150 (122)’则表示3个应答资源记录的内容，CNAME表示紧随其后的为机器的别名，A表示其后为IP地址，122表示该应答报文长度为122个字节。