车载以太网测试-10【数据链路层-ARP协议】

1 摘要
2 ARP协议概述
- 2.1 ARP协议在车载以太网中的作用
- 2.2 ARP协议帧结构
- - 2.2.1 ARP报文格式
  - 2.2.2 报文封装
3 ARP报文通信过程
- 3.1 ARP请求发送与响应
- - 3.1.1 ARP请求的发送
  - 3.2.2 ARP响应的处理
- 3.2 ARP缓存以及超时机制
- - 3.2.1 ARP缓存表的作用
  - 3.2.2 ARP缓存表的结构
  - 3.2.3 ARP缓存表的工作机制
  - 3.2.4 ARP缓存表的操作
  - 3.2.5 ARP缓存表的常见问题
- 3.3 ARP通信示例
- - 3.3.1 场景描述：
  - 3.3.2 ARP通信过程：
  - 4 总结

1 摘要

车载ARP（Address Resolution Protocol）协议是用于在车载网络（如CAN、LIN、Ethernet等）中解析IP地址与MAC地址之间映射关系的协议。本文将从ARP协议概述、ARP报文帧结构、通信过程等方面进行详细介绍。

2 ARP协议概述

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）的主要作用是将网络层（如 IPv4 地址）解析为数据链路层的物理地址（如 MAC 地址）。它帮助设备在本地网络中通过 IP 地址找到对应的 MAC 地址，从而实现数据帧的传输。从TCP/IP 模型来看属于网络接口层（或链路层），因为其操作直接涉及 MAC 地址和本地网络通信；从OSI 模型来看属于数据链路层（第 2 层），因为其作用范围局限于本地网络，不涉及路由或跨网络通信。ARP 虽然服务于网络层（如 IP 协议），但其实现依赖于数据链路层的广播机制（如以太网广播），因此更贴近底层。简单总结：ARP 是数据链路层/网络接口层的协议。

2.1 ARP协议在车载以太网中的作用

IP地址与MAC地址的映射
- IP地址：在网络通信中，设备使用IP地址进行逻辑寻址。IP地址是网络层的地址，用于标识设备在网络中的位置。
- MAC地址：MAC地址是数据链路层的地址，用于标识设备的物理地址。在以太网中，数据帧的传输是基于MAC地址的。
- ARP的作用：ARP协议用于将IP地址解析为对应的MAC地址。当车载以太网中的设备需要与另一个设备通信时，它需要知道目标设备的MAC地址，而ARP协议正是用来完成这一映射的。
动态网络环境
- 设备动态加入：在汽车网络中，设备可能会动态地加入或离开网络（例如，车辆启动时各个ECU（电子控制单元）上线，或者某些设备在特定条件下被激活）。
- ARP的广播机制：当设备需要与另一个设备通信时，如果它不知道目标设备的MAC地址，它会通过ARP广播请求来获取目标设备的MAC地址。这种机制在动态网络环境中非常有效，因为它允许设备在不知道其他设备MAC地址的情况下进行通信。
网络拓扑的变化
- 网络拓扑的复杂性：现代汽车内部网络拓扑可能非常复杂，包含多个子网、网关和交换机。设备之间的通信路径可能会随着网络拓扑的变化而变化。
- ARP的缓存机制：ARP协议使用缓存来存储IP地址与MAC地址的映射关系。当网络拓扑发生变化时，ARP缓存可以帮助设备快速找到目标设备的MAC地址，而不需要每次都进行ARP请求。
多播和广播通信
- 多播和广播的需求：在车载以太网中，某些应用（如传感器数据共享、诊断信息广播等）可能需要使用多播或广播通信。
- ARP的支持：ARP协议支持广播和多播通信，使得设备能够有效地处理这些类型的通信需求。

2.2 ARP协议帧结构

2.2.1 ARP报文格式

ARP报文由 28字节 的固定长度头部和可变长度的数据部分组成，具体结构如下：

字段	长度（字节）	说明
硬件类型（Hardware Type）	2	链路层类型，以太网为 `0x0001`（例如：车载以太网使用以太网标准）、0x0006为IEEE 802网络（Wifi、令牌环等）
协议类型（Protocol Type）	2	网络层协议类型，IPv4为 `0x0800`、IPv6为0x86DD：（但 IPv6 使用 NDP 协议而非 ARP）。
硬件地址长度（HLen）	1	MAC地址长度，以太网为 `6`（字节）。
协议地址长度（PLen）	1	IP地址长度，IPv4为 `4`（字节）。
操作码（Operation）	2	表示ARP请求或响应： `1` = ARP请求（Request） `2` = ARP响应（Reply）
发送方MAC地址（Sender MAC）	6	发送方的MAC地址（例如：`00:1A:2B:3C:4D:5E`）。
发送方IP地址（Sender IP）	4	发送方的IPv4地址（例如：`192.168.1.100`）。
目标MAC地址（Target MAC）	6	目标MAC地址（请求中为全`0`，响应中填充目标MAC）。
目标IP地址（Target IP）	4	要解析的目标IPv4地址（例如：`192.168.1.200`）。

2.2.2 报文封装

在车载以太网中，ARP报文封装在以太网帧中：

以太网帧头：目标MAC地址（ARP请求为广播地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF）、源MAC地址、以太网类型字段（ARP为 0x0806）。
数据部分：即上述28字节的ARP报文。

3 ARP报文通信过程

车载以太网中的ARP（地址解析协议）报文通信过程与传统以太网类似，但根据车载环境的特点可能存在优化和调整。以下是详细步骤及关键点分析：

3.1 ARP请求发送与响应

3.1.1 ARP请求的发送

触发条件：当车载网络中的某个ECU（电子控制单元）需要与目标ECU通信时，若其ARP缓存表中无目标IP对应的MAC地址，则触发ARP请求。
报文结构：
- 源MAC/IP：发送方的MAC地址和IP地址。
- 目标MAC：广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF。
- 目标IP：需要解析的IP地址。
传输方式：ARP请求以广播帧形式发送至数据链路层，车载交换机（如支持）将广播转发到同一VLAN内的所有端口。

3.2.2 ARP响应的处理

目标ECU响应：只有IP地址匹配的ECU会单播回复ARP响应，包含自身的MAC地址。
报文结构：
- 源MAC/IP：目标ECU的MAC地址和IP地址。
- 目标MAC/IP：请求方的MAC地址和IP地址。
传输方式：ARP响应以单播帧形式直接返回请求方。

3.2 ARP缓存以及超时机制

缓存机制：请求方收到响应后，将IP-MAC映射存入ARP缓存表，后续通信直接使用该MAC地址。
缓存超时：车载环境中可能设置较短的超时时间（如几分钟），以适应网络拓扑变化（如ECU休眠或重启）。

ARP缓存表的主要目的是提高网络通信的效率，避免每次通信时都需要进行ARP请求来获取目标设备的MAC地址。
以下是ARP缓存表的详细机制：

3.2.1 ARP缓存表的作用

IP地址与MAC地址的映射：ARP缓存表存储了IP地址与对应的MAC地址的映射关系，使得设备在发送数据时可以直接查找缓存表，而无需重复发送ARP请求。
减少网络开销：通过缓存ARP响应，减少了网络中ARP广播包的数量，从而降低了网络负载。
提高通信效率：直接从缓存中获取MAC地址，减少了通信延迟。

3.2.2 ARP缓存表的结构

ARP缓存表通常是一个键值对的数据结构，存储了IP地址与MAC地址的映射关系。每个条目可能包含以下信息：

IP地址：目标设备的IP地址。
MAC地址：目标设备的物理地址。
类型：条目的类型（动态或静态）。
生存时间（TTL）：条目的有效时间，超时后会被删除。

3.2.3 ARP缓存表的工作机制

(1) 动态条目

生成方式：当设备发送ARP请求并收到ARP响应时，会自动将IP地址与MAC地址的映射关系添加到缓存表中。
生存时间：动态条目通常有一个生存时间（TTL），超时后会被删除。默认的TTL值通常为几分钟到几小时。
更新机制：如果设备收到新的ARP响应，且缓存表中已存在对应的IP地址，则会更新该条目的MAC地址和TTL。

(2) 静态条目

生成方式：由网络管理员手动配置，不会被自动删除或更新。
用途：通常用于固定设备或需要特殊处理的场景。

(3) 条目删除

超时删除：动态条目的TTL到期后，会被自动删除。
手动删除：网络管理员可以手动删除缓存表中的条目。
冲突处理：如果设备收到与缓存表中不一致的ARP响应，可能会删除旧的条目并添加新的条目。

3.2.4 ARP缓存表的操作

(1) 查看ARP缓存表
在Windows、Linux等操作系统中，可以通过命令行工具查看ARP缓存表：

Windows：arp -a
Linux：arp -n 或 ip neigh show

(2) 添加静态条目

Windows：arp -s <IP地址> <MAC地址>
Linux：arp -s <IP地址> <MAC地址>

(3) 删除条目

Windows：arp -d <IP地址>
Linux：arp -d <IP地址>

3.2.5 ARP缓存表的常见问题

(1) ARP缓存污染

原因：攻击者通过发送伪造的ARP响应，将错误的IP地址与MAC地址映射关系写入缓存表。
影响：导致数据包被发送到错误的设备，可能引发中间人攻击或网络中断。
解决方法：使用静态ARP条目、启用ARP检测或部署网络安全设备。

(2) 缓存表溢出

原因：缓存表中条目过多，导致无法存储新的映射关系。
影响：设备需要频繁发送ARP请求，增加网络负载。
解决方法：优化网络拓扑、增加缓存表大小或缩短TTL。

(3) 条目不一致

原因：网络中设备的IP地址或MAC地址发生变化，但缓存表未及时更新。
影响：导致通信失败或数据包丢失。
解决方法：确保网络设备正确配置，定期清理缓存表。

3.3 ARP通信示例

以下是一个典型的ARP报文通信过程示例：

3.3.1 场景描述：

假设在车载以太网中，有两台设备：设备A（IP地址：192.168.1.10）和设备B（IP地址：192.168.1.20）。设备A想要与设备B通信，但设备A不知道设备B的MAC地址。此时，设备A会发起ARP请求来获取设备B的MAC地址。

3.3.2 ARP通信过程：

设备A发起ARP请求：

以太网帧头：Destination MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FFSource MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E（设备A的MAC地址）EtherType: 0x0806 (ARP)ARP报文：硬件类型：0x0001（车载以太网使用以太网标准）协议类型：0x0800（IPv4）HLen: 6（MAC地址长度）PLen: 4（IP地址长度）Operation: 1 (Request)发送方MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E（设备A的MAC地址）发送方IP: 192.168.1.10（设备A的IP地址）目标MAC: 00:00:00:00:00:00（未知，设为全0）目标IP: 192.168.1.20（设备B的IP地址）

设备A将这个ARP请求报文广播到整个网络中。

设备B接收ARP请求：
- 网络中的所有设备都会收到这个ARP请求报文。
- 设备B检查ARP请求报文中的目标IP地址，发现与自己的IP地址（192.168.1.20）匹配。
- 设备B将设备A的MAC地址与IP地址存入ARP缓存表（ARP请求报文的源MAC和源IP）
- 设备B准备回应这个ARP请求（单播，因设备B的ARP缓存表里面有设备A的MAC地址）。
设备B发送ARP响应：

以太网帧头：Destination MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5ESource MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5BEtherType: 0x0806 (ARP)ARP报文：硬件类型：0x0001协议类型：0x0800HLen: 6PLen: 4Operation: 2 (Reply)发送方MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5B发送方IP: 192.168.1.20（设备B的IP地址）目标MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E（设备A的MAC地址）目标IP: 192.168.1.10（设备A的IP地址）

设备A接收ARP响应：
- 设备A收到设备B发送的ARP响应报文。
- 设备A从ARP响应报文中提取设备B的MAC地址（00:AA:BB:CC:DD:EE）。
- 设备A将设备B的IP地址和MAC地址存储在自己的ARP缓存表中，以便后续通信使用。
后续通信：
现在，设备A知道了设备B的MAC地址，可以直接通过以太网帧将数据发送给设备B。