【计算机网络】 ARP协议和DNS协议

【计算机网络】ARP协议和DNS协议（知识点详细）

一、ARP协议（地址解析协议）

1. 协议功能

• 核心作用：将IP地址映射为MAC地址（解决“已知IP，求MAC”的问题）。
• 应用场景：
  • 局域网内主机通信（如ping命令前需先通过ARP获取目标MAC）。
  • 路由器转发数据时，需将目标IP解析为下一跳设备的MAC地址。

2. ARP报文结构

字段	长度（字节）	说明
硬件类型	2	标识硬件接口类型（如以太网为1）。
协议类型	2	标识上层协议（如IP为0x0800）。
硬件地址长度	1	MAC地址长度（以太网为6）。
协议地址长度	1	IP地址长度（IPv4为4）。
操作码	2	1=请求，2=响应，3=反向ARP请求，4=反向ARP响应。
发送方MAC	6	发送方硬件地址（源MAC）。
发送方IP	4	发送方协议地址（源IP）。
目标MAC	6	目标硬件地址（初始为全0，响应时填充目标MAC）。
目标IP	4	目标协议地址（待解析的IP）。

3. 工作流程

（1）正向ARP（已知IP，求MAC）

1. 主机A广播ARP请求：

   • 主机A需要向主机B（IP：192.168.1.2）发送数据，先检查本地ARP缓存（arp -a），若没有B的MAC地址，则发送广播ARP请求（目标MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF）。
   • 报文内容：“谁是192.168.1.2？请告诉我的MAC是00-0C-29-XX-XX-XX”。

2. 主机B单播响应：

   • 主机B收到广播后，解析出目标IP是自己，将A的IP-MAC映射存入缓存，并向A发送单播ARP响应，包含自己的MAC地址。

3. 主机A更新缓存：

   • 主机A收到响应后，将B的IP-MAC存入本地ARP缓存（默认有效期几分钟），后续通信直接使用该MAC地址。

（2）免费ARP（Gratuitous ARP）

• 场景：主机更新MAC地址时（如更换网卡），主动发送ARP响应报文，强制更新局域网内其他主机的ARP缓存。
• 作用：防止旧MAC地址导致通信失败，或用于检测IP冲突（发送ARP请求后若收到响应，说明IP已被占用）。

4. ARP缓存管理

• 查看缓存：

  # Windows
  arp -a  
  # Linux/macOS
  arp -n 
  

• 清除缓存：

  arp -d 192.168.1.2  # 删除指定IP的缓存
  

5. ARP欺骗与防范

• 原理：攻击者伪造ARP报文，将目标IP对应的MAC地址指向自己，截获通信数据（如中间人攻击）。
• 防范措施：
  • 静态绑定IP-MAC（arp -s 192.168.1.2 00-0C-29-XX-XX-XX）。
  • 使用ARP防火墙（如360安全卫士的局域网防护）。
  • 启用交换机端口安全功能，限制MAC地址学习数量。

二、DNS协议（域名系统）

1. 协议功能

• 核心作用：将域名（如www.csdn.net）解析为IP地址（解决“人类可读地址→机器可读地址”的问题）。
• 应用场景：
  • 浏览器访问网站时，需先通过DNS获取服务器IP。
  • 邮件系统通过DNS解析邮件服务器地址（MX记录）。

2. DNS层次结构

• 根域名服务器：全球仅13组（A~M），存储顶级域名服务器（TLD）的地址（如.com、.cn）。
• 顶级域名服务器：负责特定顶级域名（如.com）的解析，存储权威域名服务器地址。
• 权威域名服务器：负责具体域名（如csdn.net）的解析，存储域名对应的IP地址。

3. DNS解析流程

（1）递归解析（客户端→本地DNS服务器）

1. 客户端发送查询：浏览器向本地DNS服务器（如路由器默认地址192.168.1.1）发送DNS查询报文，请求解析www.csdn.net。
2. 本地DNS服务器递归查询：
   • 若本地缓存无结果，本地DNS服务器向根域名服务器发送查询，根服务器返回.net顶级域名服务器地址。
   • 本地DNS服务器再向.net顶级域名服务器查询，得到csdn.net权威服务器地址。
   • 最后向权威服务器查询，得到www.csdn.net的IP地址（如115.236.157.156），并缓存结果。
3. 返回解析结果：本地DNS服务器将IP返回给客户端。

（2）迭代解析（本地DNS服务器→根→顶级→权威）

• 递归解析由本地DNS服务器“代劳”，而迭代解析中客户端需依次向根、顶级、权威服务器发送查询（实际中递归+迭代结合使用）。

4. DNS报文结构

字段	长度（字节）	说明
标识	2	唯一标识查询，用于匹配响应报文。
标志	2	包含查询类型（递归/迭代）、响应码（如0=成功，3=域名不存在）。
问题数	2	查询的域名数量（通常为1）。
回答数	2	响应中资源记录数量。
问题字段	可变	包含待解析的域名（如www.csdn.net）和协议类型（IPv4/IPv6）。
资源记录	可变	解析结果（如A记录：域名→IPv4地址，AAAA记录：域名→IPv6地址）。

5. 常见DNS记录类型

记录类型	作用	示例
A	域名→IPv4地址映射	csdn.net A 115.236.157.156
AAAA	域名→IPv6地址映射	csdn.net AAAA 240e:xx:xx:xx::1
MX	邮件交换记录，指定邮件服务器	csdn.net MX 10 mail.csdn.net
CNAME	别名记录，将一个域名指向另一个域名（用于CDN等场景）	cdn.csdn.net CNAME www.csdn.net
TXT	文本记录（用于SPF反垃圾邮件、DNSSEC验证等）	_spf.csdn.net TXT "v=spf1 ip4:192.168.1.0/24 -all"

6. DNS优化与问题

• DNS缓存：
  • 本地DNS服务器和客户端均会缓存解析结果，减少重复查询（TTL字段控制缓存时间）。
  • 清除本地DNS缓存：

    # Windows
    ipconfig /flushdns  
    # macOS/Linux
    sudo systemd-resolve --flush-caches 
    

• DNS污染与劫持：
  • 攻击者篡改DNS响应，将域名指向恶意IP（如访问www.bank.com被劫持到钓鱼网站）。
  • 解决方案：使用加密DNS（如DoH/DoT）、更换公共DNS服务器（如Google 8.8.8.8、阿里云223.5.5.5）。
• DNSSEC：
  • 基于数字签名的DNS安全扩展，防止DNS欺骗（验证解析结果的真实性）。

三、ARP vs DNS 对比总结

维度	ARP协议	DNS协议
层 次	网络层与数据链路层之间	应用层
协议类型	无传输层协议（直接封装在以太网帧中）	基于UDP/TCP（默认UDP 53端口）
解析目标	IP→MAC地址	域名→IP地址
作用范围	局域网内	全球互联网
报文类型	广播/单播	单播

四、实战工具与抓包分析

1. ARP抓包：

   • 使用Wireshark过滤arp，捕获ARP请求/响应报文，观察MAC地址解析过程。
   • 关键字段：Opcode为1是请求，2是响应；Sender MAC和Target MAC字段。

2. DNS抓包：

   • 过滤port 53，观察DNS查询（Query）和响应（Answer）报文。
   • 关键字段：Flags中的QR（0=查询，1=响应）、AA（是否为权威响应）；Resource Record中的IP地址。

3. 命令行工具：

   • nslookup：手动查询DNS记录（如nslookup www.csdn.net）。
   • dig：更强大的DNS查询工具（如dig @8.8.8.8 www.csdn.net +trace跟踪解析路径）。

五、总结

• ARP协议是局域网通信的基础，解决IP到MAC的映射，依赖广播机制和缓存管理，但存在欺骗风险。
• DNS协议是互联网的“地址簿”，通过分层解析和缓存机制实现高效域名解析，是所有网络应用的前提。
• 两者分别在“链路层寻址”和“应用层寻址”中扮演核心角色，共同支撑了现代计算机网络的通信基础。

参考资料：

• RFC 826（ARP协议规范）
• RFC 1034/1035（DNS协议规范）
• 《TCP/IP详解 卷1：协议》

（本文代码示例和抓包分析可结合实际环境操作，建议使用Wireshark进行实战练习。）