【计算机网络实验】ARP协议和MAC帧的抓包分析（Wireshark）:MAC帧、ARP数据包的格式&ARP缓表&具体实验操作和数据包的分析

计算机网络实验——基于Wireshark抓包对ARP协议和MAC帧的分析

xzx040520

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xzx040520 · 2024-05-07 17:28:56 发布

ARP协议和MAC帧的抓包分析（Wireshark）

文章目录

ARP协议和MAC帧的抓包分析（Wireshark）

1、基础知识

IP地址和MAC地址之间的关系
- IP地址是一个逻辑地址，是虚拟的，有公用IP和私用IP之分，用于在计算机网络中唯一标识一个路由、接口或一台主机。IP协议是网络层的东西，和TCP协议，UDP协议共同构成了网络层的核心。可以简单理解为：IP地址用来告诉我们这台主机在哪，而路由器告诉我们怎么到达那里
- MAC地址是物理地址/硬件地址，是网卡或其他网络设备的固定地址，由生产厂商在生产时分配，并且通常不会更改，每个MAC地址都是唯一的，用于在局域网中唯一标识一个网络设备。MAC地址是一个6字节的十六进制数，MAC地址的前三位是由IEEE注册管理机构分配的厂商识别码，用于标识设备厂商，剩余的三个字节由厂商自行分配，用于区分同一厂家生产的不同设备。MAC地址是数据链路层的东西。可以简单理解为：MAC地址用来告诉我们到底是具体的谁，具体的哪一台主机
- 根据公用的IP地址我们可以找到设备所在的局域网，但一个局域网中的所有设备的公用IP一般是相同的，这时候我们要确定到底是网内的哪个主机或者设备，就要借助MAC地址来实现了。就好比你能通过班级号定位到是哪个班，但你没办法定位到是班里的哪个同学，要借助学号来确定到具体的个人。
- 而IP地址和MAC地址之间并不是简单的映射，是需要通过ARP协议来解析的，ARP协议就是连接这两个协议的桥梁，通过ARP协议可以根据IP地址解析到具体某台设备的MAC地址。

ARP地址解析协议的工作原理
- ARP请求：
  当一个主机需要向另外一个主机发送数据时，首先会检查该主机是否在本地网络中，如果目标主机不在同一网络中，发送方主机将默认使用网关的MAC地址来发送数据。如果在同一个网络中，发送方主机将发送一个ARP请求广播到本地网络的所有主机，询问一下目标IP地址到底是哪台主机拥有，也就是询问目标地址对应的MAC地址。
- ARP响应：
  接收到ARP请求的主机会检查请求中的目标IP地址是否与自己匹配。如果匹配，则该主机会发送一个ARP响应单播帧给发送主机，包含自己的MAC地址作为响应。发送主机接收到响应后，会将目标IP地址与对应的MAC地址建立映射关系，并将此映射信息存储在本地ARP缓存中，以便后续通信时直接使用。
- ARP缓存：
  每台主机都会维护一个本地的ARP缓存表，用于存储IP地址与MAC地址的映射关系。这样，在发送数据时，发送主机可以直接查找本地的ARP缓存表，以获取目标IP地址对应的MAC地址，而无需再发送ARP请求。

ARP数据报文结构

在这里插入图片描述

MAC帧格式

在这里插入图片描述

2、实验操作

本实验部分命令需要管理员权限，所以要用管理员权限打开控制台：按住win+r，输入cmd，再按住ctrl+shift+回车，打开管理员命令控制台。
在命令控制台中输入：IPconfig查看本地IP地址：本地网卡IPV4地址为192.168.20.190，本地网关地址为192.168.20.1
在命令控制台中输入：for /L %i IN(1,1,254)Do ping -w 2 -n 1 192.168.20.%i对本网段即192.168.20.xxx（192.168.20.0到192.168.20.255）的IP地址发送一次ping请求，这会在本机的ARP缓存表中留下有效的记录。注意将20改为本机的网段。
在命令控制台中输入：ARP -a查看本地ARP缓存表（IP地址和对应的物理地址），重点关注本网段的地址，以下为实验开始前本机的ARP缓存表内容：

192开头的就都是本机的，关注这个就好了，其他的不用管
接口: 192.168.20.190 — 0x19
Internet 地址物理地址类型
192.168.20.1 3c-6a-48-07-fe-07 动态
192.168.20.100 00-e0-4c-36-29-f9 动态
192.168.20.103 98-8f-e0-64-9d-28 动态
192.168.20.104 08-8f-c3-68-c0-aa 动态
192.168.20.106 08-8f-c3-77-bf-9c 动态
192.168.20.109 20-7b-d2-3d-6c-d9 动态
192.168.20.112 00-0e-c6-6c-43-a9 动态
192.168.20.115 20-7b-d2-ed-96-a2 动态
192.168.20.186 50-eb-f6-e3-e7-3d 动态
224.0.0.2 01-00-5e-00-00-02 静态
224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb 静态
224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc 静态
239.192.152.143 01-00-5e-40-98-8f 静态
239.255.102.18 01-00-5e-7f-66-12 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态
由上一步可以观察到，本网段的IP地址有9个，其中包括了网关，选择一个本网段的IP地址及其对应的物理地址记录下来作为实验目标（这里以192.168.20.112，00-0e-c6-6c-43-a9为例）
在命令控制台中输入ARP -d删除本机现有的所有ARP缓存记录，方便我们实验进行对照。以下为删除后的本机ARP缓存表内容：

接口: 192.168.20.190 — 0x19
Internet 地址物理地址类型
192.168.20.1 3c-6a-48-07-fe-07 动态
224.0.0.2 01-00-5e-00-00-02 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态

打开抓包工具wireshark，选择监听网卡接口，设置过滤条件为ARP
在命令控制台中输入ping 192.168.20.112发送Ping请求，这会产生ARP缓存并且产生一个ARP请求数据包和一个响应数据包。在发送完ping命令并且收到全部回复后要及时关闭抓包监听。
抓到了两个数据包，一个是ARP请求数据包，另外一个是ARP响应数据包。打开ARP协议的部分，其内容如下：

ARP请求数据包：
Address Resolution Protocol (request)
Hardware type: Ethernet (1)
Protocol type: IPv4 (0x0800)
Hardware size: 6
Protocol size: 4
Opcode: request (1)
Sender MAC address: LCFCElectron_52:bc:b7 (84:a9:38:52:bc:b7)
Sender IP address: 192.168.20.190
Target MAC address: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00)
Target IP address: 192.168.20.112

ARP响应数据包：
Address Resolution Protocol (reply)
Hardware type: Ethernet (1)
Protocol type: IPv4 (0x0800)
Hardware size: 6
Protocol size: 4
Opcode: reply (2)
Sender MAC address: AsixElectron_6c:43:a9 (00:0e:c6:6c:43:a9)
Sender IP address: 192.168.20.112
Target MAC address: LCFCElectron_52:bc:b7 (84:a9:38:52:bc:b7)
Target IP address: 192.168.20.190
从上到下分别是ARP数据报的各首部字段：硬件类型，协议类型，硬件地址长度，协议地址长度，操作码，发送方硬件地址，发送方协议地址，目标硬件地址，目标协议地址

让我们再看一下数据包中MAC帧封装的内容(这里之前在做的时候忘了截图了，随便找了2个ARP包截的)

从上到下分别是：目的MAC地址，源MAC地址，数据类型（0806代表ARP）。可以看到，请求数据包的特点是，目标MAC帧是置空的，等着目标自己往上填数据

3、实验可能出现的问题

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对ARP工作流程的理解

其实就是源主机发送一个ARP请求说“哪个主机手里握着这个IP啊，自报家门谢谢”请求数据包的MAC帧中目标MAC地址是留空的，让他们“自报家门”的时候再填上。请求数据包局域网内的所有主机都会收到，然后他们就都会检查一下自己的IP地址，看看是不是说自己呢，如果检查到请求数据包中的IP地址和自己的吻合，就会发回去一个ARP响应说“是我，这是我MAC地址，有事再联系”，把自己的MAC地址填到MAC帧中然后发回给源主机。