特殊的 ARP 用法：Gratuitous ARP, ARP Probe 和 ARP Announce

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在 Ethernet 环境中，所有的数据最终都要以二层 Ethernet Frame 的形式发送，要添加 Src MAC, Dst MAC, 以及其他的 header，比如 CRC 等，Ethernet 就会把数据送达到目的地。

我们在编程的时候经常指定 IP 和 Port，但是几乎从没有指定过 MAC 地址，那么 Frame 是怎么发出去的呢？这是操作系统帮我做了这件事。如果系统不知道一个 IP 对应的 MAC 地址是什么，系统会发送一个广播的 ARP 请求，（由于这个请求也是要通过 Ethernet 发送出去的，所以也要填充 Dst MAC，Dst MAC 就是 ff:ff:ff:ff:ff:ff。）询问谁有目的 IP，如果有，请回复给 MAC-B。广播域中所有的 Host 都会收到这个请求，只有拥有这个 IP 的 Host 才会回复给 MAC-B 自己的 MAC 地址，这样，B 就知道了这个 IP 对应的 MAC 地址。

这就是普通的 ARP request 和 response 的过程。

其中，里面的几个值得注意的 field 如下：

对于 ARP request 来说：

  • Operation: 1 （1表示 request, 2 表示 response）；
  • Src MAC: sender 的 MAC；
  • Src IP: sender 的 IP；
  • Dst MAC：全1，即广播给所有主机；
  • Dst IP：全1；

对于 ARP Response 来说：

  • Operation: 2；
  • Src MAC: sender（sender 在这里是响应者） 的 MAC；
  • Src IP: sender 的 IP；
  • Dst MAC：receiver （在这里是 ARP 问题的发出者）的 MAC；
  • Dst IP：receiver IP；

ARP 是一个很简单的协议，但是人们基于交换机和主机的工作原理，设计了其他的用法。这些用法其实并不复杂，最重要的就是理解这些设备最基本的工作原理，这样就可以理解这些特殊的 ARP 设计意图了。

Gratuitous ARP

在之前的博客中介绍过两次使用 Gratuitous ARP 的例子。Gratuitous ARP 的目的是更新其他设备的 ARP cache，或者交换机 mac-address table。

在 VRRP1 中，目的主要是切换网关，更新的对象是 mac-address table。交换机的 mac-address table 主要是通过收到的包的 Src MAC 来学习 MAC 对应的物理 port 的，所以最重要的是 Src MAC，其他的都不重要。

所以在 VRRP 中的 Gratuitous ARP 是这样的：

  • Operation: 1 （request）；
  • Src MAC: sender 的 MAC；
  • Src IP: sender 的 IP；
  • Dst MAC：全1，即广播给所有主机；
  • Dst IP：全1；
  • 询问的 IP：自己的 IP，所以不会收到回复。

在 Linux 的 balance-alb bonding 模式2中，ARP 的目的是为了刷新其他主机的 ARP Cache，并且希望不同的主机拿到不一样的 MAC 地址，所以使用的 ARP 是 response，并且是 unicast。

  • Operation: 2 （response）；
  • Src MAC: sender 的 MAC；
  • Src IP: sender 的 IP；
  • Dst MAC：bond driver 记录的 MAC；
  • Dst IP：bond driver 记录的 IP；
  • response 内容：IP xx 在 MAC YY 上。

取决于使用场景，Gratuitous ARP 也是 broadcast 的 reply，将 response 信息广播给所有的主机3。

ARP Probe

ARP Probe 的作用是，在分配到一个 IP 之后，但是在 IP 使用之前，可以先用 ARP 协议来检查一下当前的 LAN 内有没有人在使用这个 IP。

检查的方式就是用 ARP 询问这个 IP 的 MAC 地址，如果有主机正在使用，那么就会收到 ARP reply。

但是这里有一个问题。一个主机如果收到了 ARP request，询问谁有 IP X？请发送回复给 IP 地址 Y at MAC 地址 Z。即使这个主机没有 IP X，也不会单纯丢弃这个 ARP request，而是会从这个 ARP request 中学习到，IP Y 对应 MAC Z，会将它放到自己的 ARP cache 中。

这里我们只是想检查一个 IP 是否正在被使用，我们还没有真正地开始使用这个 IP。如果用普通的 ARP 请求来询问，假设这个 IP 已经被使用，那么发出去的 ARP request 就会传达错误的信息，其他主机就会根据这个 ARP request 来更新自己的 ARP cache。

为了解决这个问题，ARP Probe 使用的 request 将 Src IP 设置为 0.0.0.0，这样，这个 ARP request 就完全无害了。

ARP 请求如下（加粗部分是和普通的 ARP request 不一样的部分）。

  • Operation: 1 （request）；
  • Src MAC: sender 的 MAC；
  • Src IP: 0.0.0.0；
  • Dst MAC：全1，即广播给所有主机；
  • Dst IP：全1；
  • 询问的 IP：自己将要使用的 IP；

ARP Announce

ARP Announce 用于在 ARP Probe 确定没有问题之后，决定使用这个 IP，但是再一次确定唯一性。

ARP Announce 发送一个普通的 ARP request, 在 LAN 内询问自己将要使用的 IP，正常情况下不会收到任何回复，因为这个 IP 是自己的。异常情况下收到回复，那么说明 LAN 已经有人在使用这个 IP 了，需要终止继续使用这个 IP。

ARP Announce 是普通的 ARP 请求，和 Gratuitous ARP 很像。询问的目标 IP 是自己的 IP。

ARP Announce 又叫做 Unsolictied ARP。

ARP Announce 和 ARP Probe 的唯一区别就是 Src IP 不同，ARP Announce 使用自己的 IP 来发送，所以也会更新 LAN 内其他设备的 ARP cache。

  • Operation: 1 （request）；
  • Src MAC: sender 的 MAC；
  • Src IP: sender 的 IP；
  • Dst MAC：全1，即广播给所有主机；
  • Dst IP：全1；
  • 询问的 IP：自己即将使用的 IP；

参考资料：

  1. 首跳冗余协议 VRRP ↩︎
  2. 数据中心网络高可用技术之从服务器到交换机：balance-tlb 和 balance-alb ↩︎
  3. Gratuitous ARP https://www.practicalnetworking.net/series/arp/gratuitous-arp/ ↩︎

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