姓名：朱小鵬 ? ?學(xué)號：16010130023
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【嵌牛導(dǎo)讀】：ARP，全稱Address Resolution Protocol，譯作地址解析協(xié)議，是位于TCP/IP協(xié)議棧底層的協(xié)議。
【嵌牛鼻子】：ARP
【嵌牛提問】：LWIP中的ARP結(jié)構(gòu)是怎么樣的？
【嵌牛正文】：
ARP，全稱Address Resolution Protocol，譯作地址解析協(xié)議，是位于TCP/IP協(xié)議棧底層的協(xié)議。任何網(wǎng)絡(luò)的通信都是基于底層硬件鏈路的，底層的數(shù)據(jù)鏈路有著自己的一套尋址機(jī)制，在以太網(wǎng)中，往往是通過一個48位的MAC地址來標(biāo)示不同的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的。而TCP/IP協(xié)議的上層是使用IP地址作為各個主機(jī)間通信尋址機(jī)制的。當(dāng)源主機(jī)上層要向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它只知道目標(biāo)主機(jī)的IP地址，此時，源主機(jī)需要將該IP地址轉(zhuǎn)換為目的主機(jī)對應(yīng)的MAC地址，這樣才能在數(shù)據(jù)鏈路上選擇正確的通道將數(shù)據(jù)傳送出去，這就是ARP的作用。哎，復(fù)雜了！
協(xié)議里面的一段描述可能更明了：在ARP背后有一個基本概念，那就是每個網(wǎng)絡(luò)接口有一個硬件地址（一個48 bit的值，標(biāo)識不同的以太網(wǎng)或令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)接口），在硬件層次上進(jìn)行的數(shù)據(jù)幀交換必須有正確的硬件接口地址。但是，TCP/IP有自己的地址：32bit的IP地址。知道主機(jī)的I P地址并不能讓內(nèi)核發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給主機(jī)。內(nèi)核（如以太網(wǎng)驅(qū)動程序）必須知道目的端的硬件地址才能發(fā)送數(shù)據(jù)。ARP的功能是在32 bit的I P地址和采用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的硬件地址之間提供動態(tài)映射。ARP協(xié)議的基本功能就是通過目標(biāo)設(shè)備的IP地址，查詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以保證通信的進(jìn)行。
ARP協(xié)議實現(xiàn)的核心是ARP緩存表，ARP的實質(zhì)就是對緩存表的建立、更新、查詢等操作。ARP緩存表是由一個個的緩存表項（entry）組成的，LWIP中描述緩存表項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫etharp_entry，上源代碼：
struct etharp_entry {
#if ARP_QUEUEING
struct etharp_q_entry *q;//數(shù)據(jù)包緩沖隊列指針
#endif
struct ip_addr ipaddr;//目標(biāo)IP地址
struct eth_addr ethaddr;//MAC地址
enum etharp_state state;//描述該entry的狀態(tài)
u8_t ctime;//描述該entry的時間信息
struct netif *netif;//相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口信息
};
ARP_QUEUEING是編譯選項，表示是否允許緩存表項有數(shù)據(jù)包緩沖隊列，在opt.h里面設(shè)置。為什么要用數(shù)據(jù)包緩沖隊列指針，隨后慢慢道來。ipaddr和ethaddr字段就是分別用于存儲IP地址和MAC地址的，它們是ARP緩存表項的核心部分了。state是個枚舉類型，它表示該緩存表項的狀態(tài)，一個表項有三個可能的狀態(tài)，我們用枚舉型etharp_state進(jìn)行描述。
enum etharp_state {
ETHARP_STATE_EMPTY = 0,
ETHARP_STATE_PENDING,
ETHARP_STATE_STABLE
};
LWIP內(nèi)核通過數(shù)組的方式來創(chuàng)建ARP緩存表，如下，
static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE];
初始化緩存表中的各個緩存表項都處于初始狀態(tài)，沒有記錄任何信息，此時每個表項都處于ETHARP_STATE_EMPTY狀態(tài)，ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)表示該表項處于不穩(wěn)定狀態(tài)，很可能的情況是，該表項只記錄到了IP地址，但是還為記錄到對應(yīng)該IP地址的MAC地址，此時就該表項就處于ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)。在該狀態(tài)下，LWIP內(nèi)核會發(fā)出一個廣播ARP請求到數(shù)據(jù)鏈路上，以讓對應(yīng)IP地址的主機(jī)回應(yīng)其MAC地址，當(dāng)源主機(jī)接收到MAC地址時，它就更新對應(yīng)的ARP表項。當(dāng)ARP表項得到更新后，它就完全記錄了一對IP地址和MAC地址，此時該表項就處于ETHARP_STATE_STABLE狀態(tài)。注意當(dāng)某表項處在PENDING狀態(tài)時，要發(fā)往該表項中IP地址處的數(shù)據(jù)包會被連接在表項對應(yīng)的數(shù)據(jù)包緩沖隊列上，當(dāng)?shù)鹊皆摫眄椃€(wěn)定后，這些數(shù)據(jù)包才會被發(fā)送出去。這就是為什么每個表項需要有數(shù)據(jù)包緩沖隊列指針了。
ctime字段記錄表項處于某個狀態(tài)的時間，當(dāng)某表項的ctime值大于規(guī)定的表項最大生存值時，該表項會被內(nèi)核刪除。在第一講中，我們就說到了關(guān)于LWIP的超時事件，要使用ARP功能，就必須設(shè)置一個ARP超時事件，該超時事件的基本功能就是對每個表項的ctime字段值加1，然后刪除那些生存時間大于最大生存值的表項。
好了，下面講講能夠正確建立ARP緩存的基礎(chǔ)：ARP數(shù)據(jù)包。要在源主機(jī)上建立關(guān)于目標(biāo)主機(jī)的IP地址與MAC地址對應(yīng)表項，則源主機(jī)和目的主機(jī)間的基本信息交互是必須的，簡單的說就是，源主機(jī)如何告訴目的主機(jī)：我需要你的MAC地址；而目的主機(jī)如何回復(fù)：這就是我的MAC地址。ARP數(shù)據(jù)包，這就派上用場了。
ARP數(shù)據(jù)包可以分為ARP請求數(shù)據(jù)包和ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包，ARP數(shù)據(jù)包到達(dá)底層鏈路時會被加上以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包頭發(fā)送出去，最終呈現(xiàn)在鏈路上的數(shù)據(jù)報頭格式如下圖，
以太網(wǎng)包頭中的前兩個字段是以太網(wǎng)的目的MAC地址和源MAC地址，在前面一章已經(jīng)有講解。目的地址為全1的特殊地址是廣播地址。在ARP表項建立前，源主機(jī)只知道目的主機(jī)的IP地址，并不知道其MAC地址，所以在數(shù)據(jù)鏈路上，源主機(jī)只有通過廣播的方式將ARP請求數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。電纜上的所有以太網(wǎng)接口都要接收廣播的數(shù)據(jù)包，并檢測數(shù)據(jù)包是否是發(fā)給自己的，這點通過對照目的IP地址來實現(xiàn)，如果是發(fā)給自己的，目的主機(jī)需要回復(fù)一個ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包給源主機(jī)，以告訴源主機(jī)自己的MAC地址。
兩個字節(jié)長的以太網(wǎng)幀類型表示后面數(shù)據(jù)的類型。對于ARP請求或應(yīng)答數(shù)據(jù)包來說，該字段的值為0x0806，對于IP數(shù)據(jù)包來說，該字段的值為0x0800。
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報頭說完，來說ARP數(shù)據(jù)報頭。
硬件類型字段表示硬件地址的類型，它的值為1即表示以太網(wǎng)MAC地址，長度為6個字節(jié)。協(xié)議類型字段表示要映射的協(xié)議地址類型。它的值為0x0800即表示要映射為IP地址。它的值與包含I P數(shù)據(jù)報的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀頭中的類型字段的值相同。
接下來的兩個1字節(jié)的字段，硬件地址長度和協(xié)議地址長度分別指出硬件地址和協(xié)議地址的長度，以字節(jié)為單位。對于以太網(wǎng)上A R P請求或應(yīng)答來說，它們的值分別為6和4。
操作字段op指出四種操作類型，它們是A R P請求（值為1）、A R P應(yīng)答（值為2）、R A R P請求（值為3）和R A R P應(yīng)答（值為4），這里我們只關(guān)心前兩個類型。這個字段必需的，因為A R P請求和A R P應(yīng)答的幀類型字段值是相同的。
接下來的四個字段是發(fā)送端的以太網(wǎng)MAC地址、發(fā)送端的I P地址、目的端的以太網(wǎng)MAC地址和目的端的I P地址。
注意，這里有一些重復(fù)信息：在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀報頭中和A R P請求數(shù)據(jù)幀中都有發(fā)送端的以太網(wǎng)MAC地址。對于一個ARP請求來說，除目的端MAC地址外的所有其他的字段都有填充值。當(dāng)目的主機(jī)收到一份給自己的ARP請求報文后，它就把自己的硬件地址填進(jìn)去，然后將該請求數(shù)據(jù)包的源主機(jī)信息和目的主機(jī)信息交換位置，并把操作字段op置為2，最后把該新構(gòu)建的數(shù)據(jù)包發(fā)送回去，這就是ARP響應(yīng)。
最后，用源碼來看看LWIP是如何描述上面的這個數(shù)據(jù)報頭的：
struct etharp_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_hdr ethhdr);// 14字節(jié)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報頭
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype);// 2字節(jié)的硬件類型
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto);// 2字節(jié)的協(xié)議類型
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hwlen_protolen);//兩個1字節(jié)的長度字段
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode);// 2字節(jié)的操作字段op
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr);// 6字節(jié)源MAC地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr);// 4字節(jié)源IP地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr);// 6字節(jié)目的MAC地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr);// 4字節(jié)目的IP地址
} PACK_STRUCT_STRUCT;
不唐僧了，和前面的各個描述完全相符。PACK_STRUCT_FIELD()是防止編譯器字對齊的宏定義，講過了的。
