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ARP (Address Resolution Protocol)

Überblick​

ARP (Address Resolution Protocol) arbeitet an der Grenze zwischen Layer 2 (Sicherungsschicht) und Layer 3 (Vermittlungsschicht) des OSI-Modells. Es löst eine bekannte IP-Adresse in die zugehörige MAC-Adresse auf, die zur Zustellung eines Frames innerhalb eines lokalen Netzwerksegments benötigt wird.

Zwei Arten von Adressen​

Jedes Gerät in einem Ethernet-LAN wird über zwei unterschiedliche Adressen erreicht:

  • MAC-Adresse: Wird für die Kommunikation zwischen Netzwerkkarten innerhalb desselben Netzwerksegments verwendet. Sie ist die Adressierung des Layer-2-Ethernet-Frames.
  • IP-Adresse: Wird verwendet, um das Paket von der ursprünglichen Quelle zum endgültigen Ziel zu senden, unabhängig davon, wie viele Netzwerke dazwischen liegen. Sie ist die Adressierung des Layer-3-IP-Pakets.

Der Ethernet-Frame wird um das IP-Paket gekapselt. Während das IP-Paket von Anfang bis Ende durchläuft, existiert der umschließende Ethernet-Frame immer nur auf einem einzelnen Netzwerksegment.

Warum ARP benötigt wird​

IP-Pakete enthalten Quell- und Ziel-IP-Adressen, Ethernet-Frames verwenden zur Zustellung auf dem lokalen Segment jedoch MAC-Adressen. Wenn ein Gerät Daten senden möchte, kennt es die Ziel-IP-Adresse, muss aber zunächst die MAC-Adresse ermitteln, an die der Frame adressiert werden soll.

Lokale vs. entfernte Zustellung​

Das sendende Gerät ermittelt zunächst über seine Subnetzmaske, ob sich das Ziel im selben Netzwerk befindet (eine logische UND-Verknüpfung der eigenen IP und der Ziel-IP mit der Maske). Das Ergebnis entscheidet, welche MAC-Adresse der Frame benötigt:

  • Selbes Netzwerk – Die Ziel-MAC-Adresse ist die MAC-Adresse des Zielhosts selbst. Das Gerät löst die Ziel-IP per ARP auf.
  • Anderes Netzwerk – Die Ziel-MAC-Adresse ist die MAC-Adresse des Standardgateways (der Netzwerkkarte des Routers). Das Gerät löst die IP des Gateways per ARP auf.

In beiden Fällen ändern sich die Quell- und Ziel-IP-Adressen im Paket niemals. Lediglich die MAC-Adressen im Frame werden ausgetauscht: Jeder Router auf dem Weg entfernt den eingehenden Frame und erstellt einen neuen mit den Quell- und Ziel-MAC-Adressen für den nächsten Abschnitt.

Suche in der ARP-Tabelle​

Vor dem Senden durchsucht das Gerät seine ARP-Tabelle (im RAM gehalten) nach der IP-Adresse, die es auflösen muss:

  • Befindet sich die Ziel-IP im selben Netzwerk, sucht es nach der Ziel-IP-Adresse.
  • Befindet sich die Ziel-IP in einem anderen Netzwerk, sucht es nach der IP-Adresse des Standardgateways.

Existiert ein passender Eintrag, wird die zwischengespeicherte MAC-Adresse zum Erstellen des Frames verwendet. Existiert kein Eintrag, sendet das Gerät eine ARP-Anfrage.

ARP Request / Reply Ablauf​

  1. ARP-Cache prüfen – Ist die MAC-Adresse für die benötigte IP bereits zwischengespeichert, ist keine Anfrage erforderlich
  2. ARP-Anfrage (Broadcast) – Ist sie nicht zwischengespeichert, sendet der Absender eine ARP-Anfrage als Broadcast an alle Geräte im Segment: „Wer hat IP X.X.X.X? Sag es IP Y.Y.Y.Y“. Die Ziel-MAC-Adresse dieses Broadcast-Frames ist FF:FF:FF:FF:FF:FF
  3. ARP-Antwort (Unicast) – Das Gerät mit der passenden IP antwortet dem Absender direkt mit seiner MAC-Adresse; alle anderen Geräte ignorieren die Anfrage
  4. Cache-Aktualisierung – Der Absender speichert die Zuordnung von IP zu MAC für die zukünftige Verwendung in seinem ARP-Cache
  5. Frame wird gesendet – Der Absender erstellt nun den Ethernet-Frame mit der aufgelösten MAC-Adresse

ARP-Cache​

Der ARP-Cache speichert kürzlich verwendete Zuordnungen von IP zu MAC, um wiederholte Broadcasts zu vermeiden.

  • Einträge haben eine TTL (Time to Live) und laufen automatisch ab
  • Gängige Befehle (Windows/Linux):
BefehlZweck
arp -aARP-Tabelle anzeigen
arp -dARP-Tabelleneinträge löschen

Sicherheit: ARP-Spoofing​

Da ARP über keinen Authentifizierungsmechanismus verfügt, kann ein Angreifer gefälschte ARP-Antworten senden, um den Cache anderer Geräte zu vergiften und den Datenverkehr über den Rechner des Angreifers umzuleiten (Man-in-the-Middle-Angriff).

Zu den Gegenmaßnahmen gehören:

  • Dynamic ARP Inspection (DAI) auf Managed Switches
  • Statische ARP-Einträge für kritische Geräte
  • Netzwerküberwachung und Anomalieerkennung