WinPcap权威指南（三）：ARP协议

      ARP协议在局域网内使用的非常广泛，它的数据包类型分为请求包和答复包。Windows系统内部有一个缓冲区，保存了最近的ARP信息，可以在cmd下使用命令arp -a来显示目前的缓存，或者使用命令arp -d来清除该缓存（Win7下需要以管理员权限运行cmd）。

        在局域网内，两台机器之间通信，实际上靠的是网卡的物理地址。比如说，本机的IP是192.168.1.80，现在想往另外一台IP为192.168.1.138的机器发送一个ICMP包，或者发起一个TCP连接，操作系统第一步会先获取目标机器的网卡物理地址，获取的步骤是先在ARP缓存里面查找，如果没有找到，则发送ARP请求包（一般是广播方式，询问这个IP的网卡物理地址是多少，目标机器收到请求包，发现请求的目标IP是自己，则反馈一个ARP回复包）。如果目标IP的网卡物理地址获取失败，则无法通信—因为不管TCP、UDP还是ICMP，这些基于以太网的数据包，都有一个以太网帧头。如果没有目标的网卡物理地址，底层就无法填充目的地结构，也不知道发送给哪个网卡了。

        下面我们结合程序来做个实验。先说说如何调用WinPcap发送数据包。WinPcap的发包函数是PacketSendPacket，这里我们封装一个函数来调用它：

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function SendPackets(pBuffer: PAnsiChar; dwSize: Cardinal; bFree: Boolean): Boolean;
var
  pSendPacket: LPPACKET;
begin
  Result := False;
 
  pSendPacket := PacketAllocatePacket;
  if pSendPacket = nil then Exit;
 
  //初始化一个_PACKET结构。
  PacketInitPacket(pSendPacket, pBuffer, dwSize);
 
  //发送一个或多个数据报的副本。
  if (PacketSendPacket(g_pAdapter, pSendPacket, 1) = 0) then
  begin
    PacketFreePacket(pSendPacket);
    Exit;
  end;
 
  if bFree then FreeMem(pBuffer);
 
  PacketFreePacket(pSendPacket);
 
  Result := True;
end;

        我们先把程序里面TAnalysePacketsThread的ProcessUDPPacket(LPUDPPacket(pBuffer));注释掉，只留下ProcessARPPacket函数，用意其实是我们只处理ARP包，暂时不理会其它类型的。然后打开cmd，执行命令arp -d清除缓冲区。然后输入命令”ping 192.168.1.138″，这时候，可以看到我们的程序捕获到两个ARP包：一个是本机发送的ARP请求包，这是一个目标物理地址为FF:FF:FF:FF:FF的广播包，类型是请求包，内容是询问192.168.1.138的物理地址；另外一个就是对方的回复包了。我们再arp -a显示，发现这个IP对应的物理地址已经在缓冲区里面的（不过ICMP包被对方的防火墙拦截了，所以ping没返回）。

WinPcap权威指南（三）：ARP协议
WinPcap权威指南（三）：ARP协议

然后我们再连接这个IP，这时候，机器不再发送请求包了（因为缓冲区内还有这个记录）。 另外，我们在目标机器用arp -a命令，可以看到该机器也有发送端的物理地址记录了：
WinPcap权威指南（三）：ARP协议

        回到我们程序的主界面，细心的朋友可能发现网关物理地址是空的。实际上，我们的电脑如果和外网通信，比如说连接微软的站点，操作系统发送数据包的时候，是如何获取微软主机的网卡物理地址呢？答案是获取不到，也无须获取。操作系统组包的时候，目标物理地址会填写网关的物理地址，然后将数据包发送出去。网关路由器收到数据包后，发现目的IP地址不是自己，就将源物理地址改成自己的，目标物理地址改成下一级的路由的物理地址，然后发送出去。下一级路由则同样重复这个过程，直到数据到底最终目的地。

        我们先来解决这个界面问题—获取网关的物理地址。方法1是从本机的ARP缓存获取（一般地说，只要连接过外网，缓存肯定有对应的记录），类似cmd下的arp -a命令：

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function GetMacAddrInCache(DestIP: DWORD; pMAC: PULONG): Boolean;
var
  dwSize: Cardinal;
  dwRet: Cardinal;
  pIpNetTable: PMIB_IPNETTABLE;
  i: Cardinal;
begin
  Result := False;
 
  //从本机ARP表中来查询得到
  dwSize := 0;
  dwRet := GetIpNetTable(nil, dwSize, False);
  if (dwRet <> ERROR_INSUFFICIENT_BUFFER) then Exit;
 
  GetMem(pIpNetTable, dwSize);
  if pIpNetTable = nil then Exit;
  dwRet := GetIpNetTable(pIpNetTable, dwSize, False);
  if (dwRet <> ERROR_SUCCESS) then
  begin
    FreeMem(pIpNetTable);
    Exit;
  end;
 
  for i := 0 to pIpNetTable^.dwNumEntries - 1 do
  begin
    //pIpNetTable^.table[i].dwIndex;      //适配器索引
    //pIpNetTable^.table[i].dwPhysAddrLen;//物理接口长度
    //pIpNetTable^.table[i].bPhysAddr;    //物理地址
    //pIpNetTable^.table[i].dwAddr;       //IP地址
    //pIpNetTable^.table[i].dwType;       //ARP条目类型
    //MIB_IPNET_TYPE_STATIC;
    if (DestIP = pIpNetTable^.table[i].dwAddr) then //列表中找到该IP信息
    begin
      CopyMemory(pMAC, @pIpNetTable^.table[i].bPhysAddr, 6);
      FreeMem(pIpNetTable);
      Result := True;
      Exit;
    end;
  end;
 
  if pIpNetTable <> nil then
  begin
    FreeMem(pIpNetTable);
    //pIpNetTable := nil;
  end;
end;

        方法2就是发送请求包，调用了iphlpapi.dll里面的SendARP函数：

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function GetMACAddrByARP(DestIP: DWORD; pMAC: PULONG): Boolean;
var
  dwSize: Cardinal;
  dwRet: Cardinal;
begin
  Result := False;
  dwSize := 6;
  dwRet := SendARP(DestIP, 0, pMAC, dwSize);
  if (dwRet = NO_ERROR) and (dwSize <> 0) then
  begin
    Result := True;
    Exit;
  end;
end;

        界面的处理过程：

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procedure TFrmMain.ComboBox_GatewayIPsChange(Sender: TObject);
var
  IP: Cardinal;
  Mac: TMacAddr;
begin
  Edit_GatewayMac.Clear;
  if ComboBox_GatewayIPs.Text = '' then Exit;
  IP := inet_addr(PAnsiChar(ComboBox_GatewayIPs.Text));
  if not GetMacAddrInCache(IP, @Mac) then
    if not GetMACAddrByARP(IP, @Mac) then Exit;
 
  Edit_GatewayMac.Text := Mac2Str(Mac);
end;

        我们前面已经介绍了WinPcap的发包函数，那么我们还可以使用第三种方法，自己构造arp请求包，函数如下：

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function SendARPPacket(const DestMac, SourceMac: TMacAddr; const strDestIP, strSourceIP: AnsiString; bReQuest: Boolean): Boolean;
var
  ARPPacket: TARPPacket;
begin
  //1、填充TEthernetHeader
  CopyMemory(@ARPPacket.EthernetHeader.DestMac, @DestMac, sizeof(TMacAddr));
  CopyMemory(@ARPPacket.EthernetHeader.SourceMac, @SourceMac, sizeof(TMacAddr));
  ARPPacket.EthernetHeader.EthernetType := htons(ETHERTYPE_ARP);
 
  //2、填充TARPHeader
  ARPPacket.ARPHeader.HardwareType := htons(ARP_HARDWARE);
  ARPPacket.ARPHeader.ProtocolType := htons(ETHERTYPE_IP);
  ARPPacket.ARPHeader.HrdAddrlen := 6;
  ARPPacket.ARPHeader.ProAddrLen := 4;
  if bReQuest then ARPPacket.ARPHeader.Operation := htons(ARP_REQUEST)
  else ARPPacket.ARPHeader.Operation := htons(ARP_REPLY);
 
  CopyMemory(@ARPPacket.ARPHeader.SenderMAC, @SourceMac, sizeof(TMacAddr));
  ARPPacket.ARPHeader.SenderIP := inet_addr(PAnsiChar(strSourceIP));
  CopyMemory(@ARPPacket.ARPHeader.TargetMAC, @DestMac, sizeof(TMacAddr));
  ARPPacket.ARPHeader.TargetIP := inet_addr(PAnsiChar(strDestIP));
 
  Result := SendPackets(@ARPPacket, sizeof(ARPPacket), False);
end;

        例如，我们需要获取192.168.1.138的物理地址，则这样调用：

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procedure TFrmMain.Button1Click(Sender: TObject);
var
  DestMac, SourceMac: TMacAddr;
  strDestIP, strSourceIP: AnsiString;
begin
  FillChar(DestMac, sizeof(DestMac), $FF); //广播包
  SourceMac := Str2Mac(Trim(Edit_OwnMac.Text));
  strSourceIP := Trim(ComboBox_OwnIPs.Text);
  strDestIP := '192.168.1.138';
  SendARPPacket(DestMac, SourceMac, strDestIP, strSourceIP, True);
end;

        然后从程序主界面，或本机的arp -a命令，或目标机器的arp -a命令都可以验证这个过程。现在我们来看看电脑里面这个ARP缓存表是什么时候更新的。实际上，除了上面说的主动请求获取外，只要机器收到ARP包，不管是请求包还是反馈包，它都会添加或更新自己的缓存。修改一下上面的代码，我们广播一条ARP请求包，但是将源IP地址改成一个不存在的IP“192.168.1.111”：

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procedure TFrmMain.Button1Click(Sender: TObject);
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  DestMac, SourceMac: TMacAddr;
  strDestIP, strSourceIP: AnsiString;
begin
  FillChar(DestMac, sizeof(DestMac), $FF); //广播包
  SourceMac := Str2Mac(Trim(Edit_OwnMac.Text));
  strSourceIP := '192.168.1.111';//Trim(ComboBox_OwnIPs.Text);
  strDestIP := '192.168.1.138';
  SendARPPacket(DestMac, SourceMac, strDestIP, strSourceIP, True);
end;

        在目标机器输入arp -a，发现的确出现了一条对应的记录。也就是说，如果现在在目标机器连接“192.168.1.111”，那么实际上会连接我们的机器。

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        如果我们把源IP改成跟目标IP一样呢？

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procedure TFrmMain.Button1Click(Sender: TObject);
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  DestMac, SourceMac: TMacAddr;
  strDestIP, strSourceIP: AnsiString;
begin
  FillChar(DestMac, sizeof(DestMac), $FF); //广播包
  SourceMac := Str2Mac(Trim(Edit_OwnMac.Text));
  strSourceIP := '192.168.1.138';//Trim(ComboBox_OwnIPs.Text);
  strDestIP := '192.168.1.138';
  SendARPPacket(DestMac, SourceMac, strDestIP, strSourceIP, True);
end;

        目标机器会出现如下提示框：

WinPcap权威指南（三）：ARP协议
        
如果开一个线程重复这个过程，那台机器就无法上网了。

        最后我们讲述一下ARP欺骗和路由器。因为局域网内通信是依靠物理地址，而只要机器收到请求或反馈包，都会更新自己的缓存，所以可以利用这个特性，进行ARP欺骗。具体做法就是：欺骗目标电脑，告诉它网关的IP对应的物理地址是自己；欺骗网关，告诉它目标IP的物理地址是自己。也就是开一个线程不断的发送ARP请求或反馈包给这两个苦主，然后目标电脑发往外网的数据，都会发送到你的电脑，你的电脑收到数据包后，检查如果目标IP不是自己，说明应该转发，你就把该数据包的源物理地址改成自己的，目标物理地址改成网关的，然后发送出去（注意：源IP地址不要改变）；外网返回数据后，将数据发给你的电脑，你的电脑收到数据包后，检查如果目标IP（这时候，明白为什么前面说源IP地址不要改变了吧？）不是自己，说明应该转发，你就把该数据包的源物理地址改成自己的，目标物理地址改成目标电脑的，然后发送出去。

        实际上，这个就是路由器的实现，只不过它是把这个代码写进了芯片里面。另外它不用ARP欺骗，而是你自己将网络连接的网关IP设置成它的。你也可以按照上面的流程，去掉ARP欺骗的过程，仅保留数据转发，然后将局域网另外一台机器的网关设置为你的机器，那么它就需要通过你来上网了。因为现在ARP欺骗不像2003年，到处都是代码，这里就不给出具体的实现，留作大家的课后作业吧。

        下一节我们将讲述UDP协议部分，进入初步的数据修改阶段。我们先实现一个应用层的DNS客户端和服务端，再来在驱动层玩玩。

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