一、ARP協(xié)議簡介
ARP，全稱 Address Resolution Protocol，譯作地址解析協(xié)議，ARP 協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)接口密切相關(guān)。TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)分層結(jié)構(gòu)中，把 ARP 劃分為了網(wǎng)絡(luò)層的重要組成部分。?當(dāng)一個主機(jī)上的應(yīng)用程序要向目標(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，而在協(xié)議棧底層接口發(fā)送數(shù)據(jù)包時，需要將該 IP 地址轉(zhuǎn)換為目標(biāo)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)包傳送出去，在整個轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的就是 ARP 協(xié)議了。?本次的學(xué)習(xí)內(nèi)容有：
ARP?協(xié)議的原理；
ARP?緩存表及其創(chuàng)建、維護(hù)、查詢；
ARP?報(bào)文結(jié)構(gòu)。
1.1、物理地址與網(wǎng)絡(luò)地址
網(wǎng)卡的 48 位 MAC 地址都保存在網(wǎng)卡的內(nèi)部存儲器中，TCP/IP 協(xié)議有32bit 的 IP 地址（網(wǎng)絡(luò)地址），網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)包時只知道目的主機(jī)的 IP 地址，而底層接口（如以太網(wǎng)驅(qū)動程序）必須知道對方的硬件地址才能將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
為了解決地址映射的問題，ARP 協(xié)議提供了一種地址動態(tài)解析的機(jī)制，在32 bit的 IP 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，為上層將底層的物理地址差異屏蔽起來，這樣上層的因特網(wǎng)協(xié)議便可以靈活的使用 IP 地址進(jìn)行通信。
1.2、ARP協(xié)議的本質(zhì)
ARP?協(xié)議使用目標(biāo)主機(jī)的?IP?地址，查詢其對應(yīng)的?MAC?地址，保證底層鏈路上數(shù)據(jù)包通信的進(jìn)行。
假如我們的主機(jī)（192.168.1.78）需要向開發(fā)板（192.168.1.37）發(fā)送一個 IP 數(shù)據(jù)包，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機(jī)會在自己的 ARP 緩存表中尋找是否有目標(biāo)IP地址。如果找到了，也就知道了目標(biāo) MAC 地址為（00-80-48-12-34-56），此時主機(jī)直接把目標(biāo) MAC 地址寫入以太網(wǎng)幀首部發(fā)送就可以了；如果在 ARP 緩存表中沒有找到相對應(yīng)的 IP 地址，此時比較不幸，我們的數(shù)據(jù)需要被延遲發(fā)送，隨后主機(jī)會先在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個廣播（ARP 請求，以太網(wǎng)目的地址為 FF-FF-FF-FF-FF-FF），廣播的 ARP 請求表示同一網(wǎng)段內(nèi)的所有主機(jī)將會收到這樣一條信息：“192.168.1.37 的 MAC 地址是什么？請回答”。網(wǎng)絡(luò) IP 地址為 192.168.1.37（開發(fā)板）的主機(jī)接收到這個幀后，它有義務(wù)做出這樣的回答（ARP 應(yīng)答）：“192.168.1.37 的 MAC 地址是（00-80-48-12-34-56）”。 這樣，主機(jī)就知道了開發(fā)板的 MAC 地址，先前被延遲的數(shù)據(jù)包就可以發(fā)送了，此外，主機(jī)會將這個地址對保存在緩存表中以便后續(xù)數(shù)據(jù)包發(fā)送時使用。?ARP?的實(shí)質(zhì)就是對緩存表的建立、更新、查詢等操作。
二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
頭文件etharp.h 文件實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)中 ARP 協(xié)議的全部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程中有兩個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即 ARP 緩存表和 ARP 報(bào)文。
2.1、ARP表
ARP協(xié)議的實(shí)質(zhì)就是對緩存表的建立、更新、查詢等操作。ARP 緩存表由緩存表項(xiàng)（entry）組成，每個表項(xiàng)記錄了一組 IP 地址和 MAC 地址綁定信息，還包含了與數(shù)據(jù)包發(fā)送控制、緩存表項(xiàng)管理相關(guān)的狀態(tài)、控制信息。LwIP中描述緩存表項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫 etharp_entry，如下所示：
structetharp_entry
{
struct etharp_q_entry *q?????????????? //數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列指針
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?????????? ???????? //對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口信息
}?
描述緩沖隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做 etharp_q_entry，該結(jié)構(gòu)的定義如下：
structetharp_q_entry
{
structetharp_q_entry *next????? //指向下一個緩沖數(shù)據(jù)包
struct pbuf
*p?????????????????? //指向數(shù)據(jù)包 pbuf
}?
用一個圖來看看 etharp_q_entry 結(jié)構(gòu)在緩存表數(shù)據(jù)隊(duì)列中的作用，如圖所示：
[if !vml]
[endif]
state 是個枚舉類型，它描述該緩存表項(xiàng)的狀態(tài)，LwIP 中定義一個緩存表項(xiàng)可能有三種不同的狀態(tài)，用枚舉型 etharp_state 進(jìn)行描述。
enumetharp_state
{
ETHARP_STATE_EMPTY
= 0,?????? //empty 狀態(tài)
ETHARP_STATE_PENDING,????????????????? //pending 狀態(tài)
ETHARP_STATE_STABLE?????????? //stable 狀態(tài)
}?
編譯器為ARP表預(yù)先定義了ARP_TABLE_SIZE（10）個表項(xiàng)空間，因此ARP緩存表內(nèi)部最多只能存放ARP_TABLE_SIZE條IP 地址與MAC地址配對信息。
static struct etharp_entry
arp_table[ARP_TABLE_SIZE]? //定義 ARP 緩存表
ETHARP_STATE_EMPTY?狀態(tài)：初始化的時候?yàn)閑mpty狀態(tài)。
ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)：表示該表項(xiàng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時該表項(xiàng)只記錄到了IP 地址，但是還未記錄到對應(yīng)的MAC地址。?很可能的情況是，LwIP 內(nèi)核已經(jīng)發(fā)出一個關(guān)于該 IP地址的 ARP 請求到數(shù)據(jù)鏈路上，但是還未收到 ARP應(yīng)答。
ETHARP_STATE_STABLE 狀態(tài)：當(dāng) ARP表項(xiàng)被更新后，它就記錄了一對完整的IP 地址和MAC地址。
在ETHARP_STATE_PENDING 狀態(tài)下會設(shè)定超時時間（10秒），當(dāng)計(jì)數(shù)超時后，對應(yīng)的表項(xiàng)將被刪除；在ETHARP_STATE_STABLE狀態(tài)下也會設(shè)定超時時間（20分鐘），當(dāng)計(jì)數(shù)超時后，對應(yīng)的表項(xiàng)將被刪除。
網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)指針 netif，該結(jié)構(gòu)中包含了網(wǎng)絡(luò)接口的 MAC地址和IP地址等信息，在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候，這些信息都起著至關(guān)重要的作用。?
ctime為每個表項(xiàng)的計(jì)數(shù)器，周期性的去調(diào)用一個etharp_tmr函數(shù)，這個函數(shù)以5秒為周期被調(diào)用，在這個函數(shù)中，它會將每個ARP 緩存表項(xiàng)的 ctime 字段值加 1，當(dāng)相應(yīng)表項(xiàng)的生存時間計(jì)數(shù)值 ctime 大于系統(tǒng)規(guī)定的某個值時，系統(tǒng)將刪除對應(yīng)的表項(xiàng)。
//穩(wěn)定狀態(tài)表項(xiàng)的最大生存時間計(jì)數(shù)值：240*5s=20min
#defineARP_MAXAGE?????? 240
//PENDING狀態(tài)表項(xiàng)的最大生存時間計(jì)數(shù)值：2*5s=10s
#defineARP_MAXPENDING?? 2
void etharp_tmr(void)
{
u8_t
i;
for (i = 0? i
< ARP_TABLE_SIZE? ++i) //對每個表項(xiàng)操作，包括空閑狀態(tài)的表項(xiàng){
arp_table[i].ctime++? //先將表項(xiàng) ctime 值加1
//如果表項(xiàng)是 stable 狀態(tài)，且生存值大于 ARP_MAXAGE，
//或者是 pending 狀態(tài)且其生存值大于 ARP_MAXPENDING，則刪除表項(xiàng)
if(((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE) && //stable 狀態(tài)
(arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE))||
((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) && //pending 狀態(tài)
(arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING)) )
{
if(arp_table[i].q != NULL)?? //如果表項(xiàng)上的數(shù)據(jù)隊(duì)列中有數(shù)據(jù){
free_etharp_q(arp_table[i].q)????? //則釋放隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)
arp_table[i].q = NULL????????????? //隊(duì)列設(shè)置為空
}
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_EMPTY? //將表項(xiàng)狀態(tài)改為未用
}//if
}//for
}
2.2、ARP報(bào)文
?ARP?請求和?ARP?應(yīng)答，它們都是被組裝在一個?ARP?數(shù)據(jù)包中發(fā)送的，一個典型的?ARP?包的組成結(jié)構(gòu)如圖所示：
[if !vml]
[endif]
以太網(wǎng)目的地址和以太網(wǎng)源地址：分別表示以太網(wǎng)目的MAC地址和源MAC地址，目的地址全1時是特殊地址以太網(wǎng)廣播地址。在 ARP 表項(xiàng)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，同一網(wǎng)段上的所有以太網(wǎng)接口都會接收到廣播的數(shù)據(jù)包。
楨類型：ARP-0x0806、IP-0x0800、PPPoE-0x8864。
硬件類型：表示發(fā)送方想要知道的硬件類型。
協(xié)議類型：表示要映射的協(xié)議地址類型，0x0800-表示要映射為IP地址 。
硬件地址長度和協(xié)議地址長度：以太網(wǎng)ARP請求和應(yīng)答分別為6和4，代表MAC地址長度和IP地址長度。
op：指出ARP數(shù)據(jù)包的類型，ARP請求（1），ARP應(yīng)答（2）。
在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀頭部中和 ARP 數(shù)據(jù)包中都有發(fā)送端的以太網(wǎng)MAC 地址。對于一個 ARP 請求包來說，除接收方以太網(wǎng)地址外的所有字段都應(yīng)該被填充相應(yīng)的值。當(dāng)接收方主機(jī)收到一份給自己的 ARP 請求報(bào)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 應(yīng)答。
在?ARP?中用了一大堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏來描述上圖的結(jié)構(gòu)。
#ifndefETHARP_HWADDR_LEN
#define ETHARP_HWADDR_LEN 6 //以太網(wǎng)物理地址長度
#endif
PACK_STRUCT_BEGIN//我們移植時實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體封裝宏
structeth_addr
{
//定義以太網(wǎng) MAC 地址結(jié)構(gòu)體 eth_addr，禁止編譯器自對齊
PACK_STRUCT_FIELD(u8_t
addr[ETHARP_HWADDR_LEN])?
}
PACK_STRUCT_STRUCT?
PACK_STRUCT_END
PACK_STRUCT_BEGIN//定義以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀首部結(jié)構(gòu)體 eth_hdr，禁止編譯器自對齊
structeth_hdr
{
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest)? //以太網(wǎng)目的地址（6 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src)? //以太網(wǎng)源地址（6 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t
type)? //幀類型（2 字節(jié)）
}
PACK_STRUCT_STRUCT?
PACK_STRUCT_END
//定義以太網(wǎng)幀頭部長度宏，其中 ETH_PAD_SIZE 已定義為 0
#defineSIZEOF_ETH_HDR (14 + ETH_PAD_SIZE)
PACK_STRUCT_BEGIN//定義 ARP 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體 etharp_hdr，禁止編譯器自對齊
structetharp_hdr
{
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t
hwtype)? //硬件類型（2 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t
proto)? //協(xié)議類型（2 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t
_hwlen_protolen)? //硬件+協(xié)議地址長度（2 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t
opcode)? //操作字段 op（2 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr)? //發(fā)送方 MAC 地址（6 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr)? //發(fā)送方 IP 地址（4 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr)? //接收方 MAC 地址（6 字節(jié)）
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr)? //接收方 IP 地址（4 字節(jié)）
}
PACK_STRUCT_STRUCT?
PACK_STRUCT_END
#define SIZEOF_ETHARP_HDR 28 //宏，ARP 數(shù)據(jù)包長度
//宏，包含 ARP 數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)幀長度
#defineSIZEOF_ETHARP_PACKET (SIZEOF_ETH_HDR +SIZEOF_ETHARP_HDR)
#define ARP_TMR_INTERVAL 5000 //定義 ARP 定時器周期為 5 秒，不同幀類型的宏定義
#defineETHTYPE_ARP 0x0806
#defineETHTYPE_IP 0x0800
//ARP 數(shù)據(jù)包中 OP 字段取值宏定義
#define ARP_REQUEST 1 //ARP 請求
#defineARP_REPLY 2?//ARP 應(yīng)答
發(fā)送 ARP 請求數(shù)據(jù)包的函數(shù)叫 etharp_request，它通過調(diào)用 etharp_raw 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，調(diào)用后者時，需要為它提供 ARP數(shù)據(jù)包中各個字段的值，后者直接將各個字段的值填寫到在一個 ARP 包中發(fā)送（該函數(shù)并不知道發(fā)送的是 ARP 請求還是 ARP 響應(yīng)，它只管組裝并發(fā)送，所以稱之為 raw）
//函數(shù)功能：根據(jù)各個參數(shù)字段組織一個 ARP 數(shù)據(jù)包并發(fā)送
//參數(shù) netif：發(fā)送 ARP 包的網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)
//參數(shù) ethsrc_addr：以太網(wǎng)幀首部中的以太網(wǎng)源地址值
//參數(shù) ethdst_addr：以太網(wǎng)幀首部中的以太網(wǎng)目的地址值
//參數(shù)hwsrc_addr：ARP 數(shù)據(jù)包中的發(fā)送方 MAC 地址
//參數(shù) ipsrc_addr：ARP 數(shù)據(jù)包中的發(fā)送方 IP 地址
//參數(shù) hwdst_addr：ARP 數(shù)據(jù)包中的接收方 MAC 地址
//參數(shù) ipdst_addr：ARP 數(shù)據(jù)包中的接收方 IP 地址
//參數(shù) opcode：ARP 數(shù)據(jù)包中的 OP 字段值，請求ARP為1，應(yīng)答ARP為2
//注：ARP 數(shù)據(jù)包中其他字段使用預(yù)定義值，例如硬件地址長度為 6，協(xié)議地址長度為 4
err_t
etharp_raw(struct netif *netif, const structeth_addr *ethsrc_addr,
const struct eth_addr *ethdst_addr, const structeth_addr *hwsrc_addr,
const struct ip_addr *ipsrc_addr, const structeth_addr *hwdst_addr,
const struct ip_addr *ipdst_addr, constu16_t opcode)
{
struct pbuf *p? //數(shù)據(jù)包指針
err_t
result = ERR_OK? //返回結(jié)果
u8_t
k?
struct eth_hdr *ethhdr? //以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀首部結(jié)構(gòu)體指針
struct etharp_hdr *hdr? // ARP 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體指針
//先在內(nèi)存堆中為 ARP 包分配空間，大小為包含 ARP 數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)幀總大小
p
= pbuf_alloc(PBUF_RAW, SIZEOF_ETHARP_PACKET, PBUF_RAM)?
if(p == NULL)??//若分配失敗則返回內(nèi)存錯誤{
return ERR_MEM?
}
//到這里，內(nèi)存分配成功
ethhdr
= p->payload? // ethhdr 指向以太網(wǎng)幀首部區(qū)域
hdr
= (struct etharp_hdr *)((u8_t*)ethhdr +
SIZEOF_ETH_HDR)?// hdr 指向 ARP 首部
hdr->opcode
= htons(opcode)? //填寫 ARP 包的 OP 字段，注意大小端轉(zhuǎn)換
k
= ETHARP_HWADDR_LEN??????//循環(huán)填寫數(shù)據(jù)包中各個 MAC 地址字段
while(k > 0)
{
k----?
hdr->shwaddr.addr[k]
= hwsrc_addr->addr[k]? //ARP 頭部的發(fā)送方 MAC 地址
hdr->dhwaddr.addr[k]
= hwdst_addr->addr[k]? //ARP 頭部的接收方 MAC 地址
ethhdr->dest.addr[k]
= ethdst_addr->addr[k]? //以太網(wǎng)幀首部中的目的地址
ethhdr->src.addr[k]
= ethsrc_addr->addr[k]? //以太網(wǎng)幀首部中的以太網(wǎng)源地址
}
hdr->sipaddr
= *(struct ip_addr2 *)ipsrc_addr? //填寫 ARP 頭部發(fā)送方 IP 地址
hdr->dipaddr
= *(struct ip_addr2 *)ipdst_addr? //填寫 ARP 頭部接收方 IP 地址
//下面填充一些固定字段的值
hdr->hwtype
= htons(HWTYPE_ETHERNET)? //ARP 頭部的硬件類型為 1，即以太網(wǎng)
hdr->proto
= htons(ETHTYPE_IP)? //ARP 頭部的協(xié)議類型為0x0800
//設(shè)置兩個長度字段
hdr->_hwlen_protolen=htons((ETHARP_HWADDR_LEN<<8)| sizeof(struct ip_addr));
ethhdr->type
= htons(ETHTYPE_ARP)? //以太網(wǎng)幀首部中的幀類型字段，ARP 包
result
= netif->linkoutput(netif, p)? //調(diào)用底層數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)
pbuf_free(p)? //釋放數(shù)據(jù)包
p
= NULL?
return result? //返回發(fā)送結(jié)果
}
//特殊 MAC 地址的定義，以太網(wǎng)廣播地址
const struct eth_addr ethbroadcast = {{0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}}?
//該值用于填充 ARP 請求包的接收方MAC 字段，無實(shí)際意義
const struct eth_addr ethzero = {{0,0,0,0,0,0}}?
//函數(shù)功能：發(fā)送 ARP 請求
//參數(shù) netif：發(fā)送 ARP 請求包的接口結(jié)構(gòu)
//參數(shù) ipaddr：請求具有該 IP 地址主機(jī)的 MAC
err_t
etharp_request(struct netif *netif, structip_addr *ipaddr)
{
//該函數(shù)只是簡單的調(diào)用函數(shù)etharp_raw，為函數(shù)提供所有相關(guān)參數(shù)
return etharp_raw(netif, (structeth_addr *)netif->hwaddr,ebroadcast,
(struct eth_addr *)netif->hwaddr,&netif->ip_addr,ðzero,ipaddr,ARP_REQUEST)?
}
