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C语言如何自己写ARP

快速回答： 要在C语言中自己编写ARP（Address Resolution Protocol），需要了解ARP协议的基本工作原理、掌握C语言中的网络编程、熟悉数据链路层编程、以及使用原始套接字发送和接收ARP报文。在这篇文章中，我们将详细讲解ARP协议的原理、如何在C语言中创建和解析ARP报文、如何使用原始套接字发送和接收ARP报文，并提供一个完整的示例程序。

一、ARP协议的基本原理

ARP（Address Resolution Protocol）是一种用于将IP地址解析为MAC地址的协议。它在局域网中扮演着非常重要的角色，尤其是在以太网环境下。每当一个主机需要向另一个主机发送数据包时，它需要知道目标主机的MAC地址。如果不知道，它会发送一个ARP请求广播，目标主机收到请求后会发送一个ARP应答，告诉请求主机自己的MAC地址。

1、ARP请求与应答

ARP请求和应答的报文结构是相似的，包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作码、发送者的MAC地址、发送者的IP地址、目标的MAC地址（在请求中为空）、目标的IP地址。ARP请求用于询问目标主机的MAC地址，ARP应答用于回复请求者。

2、以太网帧

ARP报文被封装在以太网帧中进行传输，以太网帧包括目标MAC地址、源MAC地址、以太网类型、数据（即ARP报文）和帧校验序列。

二、创建和解析ARP报文

在C语言中，我们可以通过定义结构体来创建和解析ARP报文。以下是ARP报文和以太网帧的结构定义：

#include <stdint.h>


// 以太网帧头结构


struct ether_header {


    uint8_t  ether_dhost[6]; // 目标MAC地址


    uint8_t  ether_shost[6]; // 源MAC地址


    uint16_t ether_type;     // 以太网类型


};


// ARP报文结构


struct arp_header {


    uint16_t htype;          // 硬件类型


    uint16_t ptype;          // 协议类型


    uint8_t  hlen;           // 硬件地址长度


    uint8_t  plen;           // 协议地址长度


    uint16_t oper;           // 操作码


    uint8_t  sha[6];         // 发送者的MAC地址


    uint8_t  spa[4];         // 发送者的IP地址


    uint8_t  tha[6];         // 目标的MAC地址


    uint8_t  tpa[4];         // 目标的IP地址


};

三、使用原始套接字发送和接收ARP报文

原始套接字允许直接访问网络层数据，并且可以用于发送和接收自定义的网络协议报文。以下是创建原始套接字的示例代码：

#include <sys/socket.h>


#include <netinet/in.h>


#include <arpa/inet.h>


#include <linux/if_packet.h>


#include <net/if.h>


#include <sys/ioctl.h>


#include <unistd.h>


#include <string.h>


#include <stdio.h>


// 创建原始套接字


int raw_socket = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP));


if (raw_socket == -1) {


    perror("socket");


    return -1;


}

1、发送ARP请求

要发送ARP请求，需要构建以太网帧和ARP报文，并将其发送到网络中：

// 构建以太网帧和ARP报文


struct ether_header eth_hdr;


struct arp_header arp_hdr;


memset(&eth_hdr, 0, sizeof(struct ether_header));


memset(&arp_hdr, 0, sizeof(struct arp_header));


// 填充以太网帧头


// 目标MAC地址（广播地址）


memset(eth_hdr.ether_dhost, 0xff, 6);


// 源MAC地址


// TODO: 获取本地主机的MAC地址填充到eth_hdr.ether_shost


eth_hdr.ether_type = htons(ETH_P_ARP);


// 填充ARP报文


arp_hdr.htype = htons(1);  // 以太网


arp_hdr.ptype = htons(ETH_P_IP);  // IPv4


arp_hdr.hlen = 6;  // 硬件地址长度


arp_hdr.plen = 4;  // 协议地址长度


arp_hdr.oper = htons(ARPOP_REQUEST);  // ARP请求


// 发送者的MAC地址


// TODO: 获取本地主机的MAC地址填充到arp_hdr.sha


// 发送者的IP地址


// TODO: 获取本地主机的IP地址填充到arp_hdr.spa


// 目标的MAC地址（为空）


memset(arp_hdr.tha, 0x00, 6);


// 目标的IP地址


// TODO: 填充目标主机的IP地址到arp_hdr.tpa


// 发送ARP请求


struct sockaddr_ll device;


memset(&device, 0, sizeof(struct sockaddr_ll));


device.sll_ifindex = if_nametoindex("eth0");  // TODO: 替换为实际的网络接口名


device.sll_halen = ETH_ALEN;


memcpy(device.sll_addr, eth_hdr.ether_dhost, 6);


uint8_t frame[42];  // 以太网帧大小


memcpy(frame, &eth_hdr, sizeof(struct ether_header));


memcpy(frame + sizeof(struct ether_header), &arp_hdr, sizeof(struct arp_header));


if (sendto(raw_socket, frame, 42, 0, (struct sockaddr*)&device, sizeof(device)) <= 0) {


    perror("sendto");


    return -1;


}

2、接收ARP应答

接收ARP应答与发送ARP请求类似，只是我们需要捕获网络中的ARP应答报文：

uint8_t buffer[1500];


while (1) {


    ssize_t length = recv(raw_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);


    if (length <= 0) {


        perror("recv");


        return -1;


    }


    struct ether_header *eth_hdr = (struct ether_header*)buffer;


    if (ntohs(eth_hdr->ether_type) == ETH_P_ARP) {


        struct arp_header *arp_hdr = (struct arp_header*)(buffer + sizeof(struct ether_header));


        if (ntohs(arp_hdr->oper) == ARPOP_REPLY) {


            // 处理ARP应答


            printf("Received ARP reply from %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02xn",


                   arp_hdr->sha[0], arp_hdr->sha[1], arp_hdr->sha[2],


                   arp_hdr->sha[3], arp_hdr->sha[4], arp_hdr->sha[5]);


            break;


        }


    }


}

四、完整示例程序

以下是一个完整的示例程序，演示如何在C语言中使用原始套接字发送ARP请求并接收ARP应答：

#include <stdio.h>


#include <string.h>


#include <stdlib.h>


#include <unistd.h>


#include <sys/socket.h>


#include <netinet/in.h>


#include <arpa/inet.h>


#include <linux/if_packet.h>


#include <net/if.h>


#include <sys/ioctl.h>


// 以太网帧头结构


struct ether_header {


    uint8_t  ether_dhost[6];


    uint8_t  ether_shost[6];


    uint16_t ether_type;


};


// ARP报文结构


struct arp_header {


    uint16_t htype;


    uint16_t ptype;


    uint8_t  hlen;


    uint8_t  plen;


    uint16_t oper;


    uint8_t  sha[6];


    uint8_t  spa[4];


    uint8_t  tha[6];


    uint8_t  tpa[4];


};


// 获取本地主机的MAC地址


int get_mac_address(const char *iface, uint8_t *mac) {


    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);


    if (sock == -1) {


        perror("socket");


        return -1;


    }


    struct ifreq ifr;


    strncpy(ifr.ifr_name, iface, IFNAMSIZ - 1);


    if (ioctl(sock, SIOCGIFHWADDR, &ifr) == -1) {


        perror("ioctl");


        close(sock);


        return -1;


    }


    memcpy(mac, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);


    close(sock);


    return 0;


}


// 获取本地主机的IP地址


int get_ip_address(const char *iface, uint8_t *ip) {


    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);


    if (sock == -1) {


        perror("socket");


        return -1;


    }


    struct ifreq ifr;


    strncpy(ifr.ifr_name, iface, IFNAMSIZ - 1);


    if (ioctl(sock, SIOCGIFADDR, &ifr) == -1) {


        perror("ioctl");


        close(sock);


        return -1;


    }


    struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in*)&ifr.ifr_addr;


    memcpy(ip, &addr->sin_addr, 4);


    close(sock);


    return 0;


}


int main() {


    const char *iface = "eth0";  // TODO: 替换为实际的网络接口名


    uint8_t mac[6];


    uint8_t ip[4];


    uint8_t target_ip[4] = {192, 168, 1, 1};  // TODO: 替换为实际的目标IP地址


    if (get_mac_address(iface, mac) == -1) {


        return -1;


    }


    if (get_ip_address(iface, ip) == -1) {


        return -1;


    }


    int raw_socket = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ARP));


    if (raw_socket == -1) {


        perror("socket");


        return -1;


    }


    struct ether_header eth_hdr;


    struct arp_header arp_hdr;


    memset(&eth_hdr, 0, sizeof(struct ether_header));


    memset(&arp_hdr, 0, sizeof(struct arp_header));


    // 填充以太网帧头


    memset(eth_hdr.ether_dhost, 0xff, 6);


    memcpy(eth_hdr.ether_shost, mac, 6);


    eth_hdr.ether_type = htons(ETH_P_ARP);


    // 填充ARP报文


    arp_hdr.htype = htons(1);


    arp_hdr.ptype = htons(ETH_P_IP);


    arp_hdr.hlen = 6;


    arp_hdr.plen = 4;


    arp_hdr.oper = htons(ARPOP_REQUEST);


    memcpy(arp_hdr.sha, mac, 6);


    memcpy(arp_hdr.spa, ip, 4);


    memset(arp_hdr.tha, 0x00, 6);


    memcpy(arp_hdr.tpa, target_ip, 4);


    // 发送ARP请求


    struct sockaddr_ll device;


    memset(&device, 0, sizeof(struct sockaddr_ll));


    device.sll_ifindex = if_nametoindex(iface);


    device.sll_halen = ETH_ALEN;


    memcpy(device.sll_addr, eth_hdr.ether_dhost, 6);


    uint8_t frame[42];


    memcpy(frame, &eth_hdr, sizeof(struct ether_header));


    memcpy(frame + sizeof(struct ether_header), &arp_hdr, sizeof(struct arp_header));


    if (sendto(raw_socket, frame, 42, 0, (struct sockaddr*)&device, sizeof(device)) <= 0) {


        perror("sendto");


        return -1;


    }


    // 接收ARP应答


    uint8_t buffer[1500];


    while (1) {


        ssize_t length = recv(raw_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);


        if (length <= 0) {


            perror("recv");


            return -1;


        }


        struct ether_header *eth_hdr_resp = (struct ether_header*)buffer;


        if (ntohs(eth_hdr_resp->ether_type) == ETH_P_ARP) {


            struct arp_header *arp_hdr_resp = (struct arp_header*)(buffer + sizeof(struct ether_header));


            if (ntohs(arp_hdr_resp->oper) == ARPOP_REPLY &&


                memcmp(arp_hdr_resp->tpa, ip, 4) == 0 &&


                memcmp(arp_hdr_resp->spa, target_ip, 4) == 0) {


                printf("Received ARP reply from %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02xn",


                       arp_hdr_resp->sha[0], arp_hdr_resp->sha[1], arp_hdr_resp->sha[2],


                       arp_hdr_resp->sha[3], arp_hdr_resp->sha[4], arp_hdr_resp->sha[5]);


                break;


            }


        }


    }


    close(raw_socket);


    return 0;


}

五、总结

通过本文，我们详细讲解了ARP协议的基本原理、如何在C语言中创建和解析ARP报文、如何使用原始套接字发送和接收ARP报文，并提供了一个完整的示例程序。理解和掌握ARP协议及其实现方法对于网络编程和网络安全都有着重要的意义。希望通过本篇文章，您能够对ARP协议及其在C语言中的实现有更深入的了解，并能够应用到实际项目中。

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相关问答FAQs：

1. 什么是ARP协议？
ARP（Address Resolution Protocol）是一种网络协议，用于将IP地址转换为对应的物理MAC地址。在C语言中，我们可以自己实现ARP协议来实现IP地址和MAC地址之间的映射。

2. 如何在C语言中实现ARP协议？
要在C语言中实现ARP协议，我们可以使用原始套接字（raw socket）来构建ARP请求和响应报文，并发送到网络中。我们需要创建一个原始套接字，并设置套接字选项，使其能够接收和发送原始数据包。然后，我们可以使用C语言的套接字编程接口来构建ARP报文，填充报文字段，并发送到网络中。

3. 如何构建ARP请求和响应报文？
要构建ARP请求和响应报文，我们需要了解ARP报文的格式。ARP报文包括以太网帧头部、ARP头部和以太网帧尾部。在C语言中，我们可以使用结构体来表示报文的各个字段，并使用字节操作函数来填充字段的值。例如，我们可以使用结构体成员来表示以太网帧头部的目的MAC地址和源MAC地址，使用字节操作函数来将MAC地址转换为字节序列。

4. 如何发送和接收ARP报文？
要发送和接收ARP报文，我们可以使用C语言中的套接字编程接口。首先，我们需要创建一个原始套接字，并设置套接字选项，使其能够接收和发送原始数据包。然后，我们可以使用套接字的发送函数来发送构建好的ARP报文到网络中，使用套接字的接收函数来接收从网络中接收到的ARP报文。在接收到报文后，我们可以解析报文的各个字段，获取需要的信息。

5. 如何处理ARP请求和响应报文？
当我们接收到ARP请求报文时，我们可以解析报文的源IP地址，并与本地的IP地址进行比较。如果源IP地址与本地IP地址匹配，我们可以构建一个ARP响应报文，并发送回请求方，以回应其请求。当我们接收到ARP响应报文时，我们可以解析报文的源MAC地址，并将其与对应的IP地址进行映射，以便后续的网络通信。

文章包含AI辅助创作，作者：Edit2，如若转载，请注明出处：https://docs.pingcode.com/baike/1249272

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