三LWIP學習筆記之ARP協議

一、ARP協議簡介　　

　　ARP，全稱 Address Resolution Protocol，譯作地址解析協議，ARP 協議與底層網絡接口密切相關。TCP/IP 標准分層結構中，把 ARP 划分為了網絡層的重要組成部分。 當一個主機上的應用程序要向目標主機發送數據時，它只知道目標主機的 IP 地址，而在協議棧底層接口發送數據包時，需要將該 IP 地址轉換為目標主機對應的 MAC 地址，這樣才能在數據鏈路上選擇正確的通道將數據包傳送出去，在整個轉換過程中發揮關鍵作用的就是 ARP 協議了。 在本章中將看到：
　　ARP 協議的原理；
　　ARP 緩存表及其創建、維護、查詢；
　　ARP 報文結構；
　　ARP 層數據包的接收處理；
　　ARP 層數據包的發送。
　　ARP 層是將底層鏈路與協議上層連接起來的紐帶，是以太網通信中不可或缺的協議。

1、物理地址與網絡地址

　　網卡的 48 位 MAC 地址都保存在網卡的內部存儲器中，另一方面，TCP/IP 協議有自己的地址：32bit 的 IP 地址（網絡地址），網絡層發送數據包時只知道目的主機的 IP 地址，而底層接口（如以太網驅動程序）必須知道對方的硬件地址才能將數據發送出去。 

　　為了解決地址映射的問題，ARP 協議提供了一種地址動態解析的機制，ARP 的功能是在 32 bit的 IP 地址和采用不同網絡技術的硬件地址之間提供動態映射，為上層將底層的物理地址差異屏蔽起來，這樣上層的因特網協議便可以靈活的使用 IP 地址進行通信。 

2、ARP協議的本質　　

　　ARP 協議的基本功能是使用目標主機的 IP 地址，查詢其對應的 MAC 地址，以保證底層鏈路上數據包通信的進行。

　　舉一個簡單的例子來看看 ARP 的功能。假如我們的主機（192.168.1.78）需要向開發板（192.168.1.37）發送一個 IP 數據包，當發送數據時，主機會在自己的 ARP 緩存表中尋找是否有目標 IP 地址。如果找到了，也就知道了目標 MAC 地址為（00­80­48­12­34­56）， 此時主機直接把目標 MAC 地址寫入以太網幀首部發送就可以了；如果在 ARP 緩存表中沒有找到相對應的 IP 地址，此時比較不幸，我們的數據需要被延遲發送，隨后主機會先在網絡上發送一個廣播（ARP 請求，以太網目的地址為 FF­FF­FF­FF­FF­FF），廣播的 ARP 請求表示同一網段內的所有主機將會收到這樣一條信息：“192.168.1.37 的 MAC 地址是什么？請回答”。網絡 IP 地址為 192.168.1.37（開發板）的主機接收到這個幀后，它有義務做出這樣的回答（ARP 應答）：“192.168.1.37 的 MAC 地址是（00­80­48­12­34­56）”。 這樣，主機就知道了開發板的 MAC 地址，先前被延遲的數據包就可以發送了，此外，主機會將這個地址對保存在緩存表中以便后續數據包發送時使用。 ARP 的實質就是對緩存表的建立、更新、查詢等操作。 

二、數據結構

　　源文檔中的 etharp.c 和 etharp.h 文件實現了以太網中 ARP 協議的全部數據結構和函數定義，ARP 協議實現過程中有兩個重要的數據結構，即 ARP 緩存表和 ARP 報文。 

1、ARP表　　

　　ARP 協議的核心在於 ARP 緩存表，ARP 的實質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（entry）組成，每個表項記錄了一組 IP 地址和 MAC 地址綁定信息，當然除了這兩個基本信息外，還包含了與數據包發送控制、緩存表項管理相關的狀態、控制信息。LwIP中描述緩存表項的數據結構叫 etharp_entry，這個結構比較簡單，如下所示： 

————etharp.c—————————————————————————
struct etharp_entry 
{
　　struct etharp_q_entry *q; //數據包緩沖隊列指針
　　struct ip_addr ipaddr; //目標 IP 地址
　　struct eth_addr ethaddr; // MAC 地址
　　enum etharp_state state; //描述該 entry 的狀態
　　u8_t ctime; //描述該 entry 的時間信息
　　struct netif *netif; //對應網絡接口信息
};
——————————————————————————————————

　　描述緩沖隊列的數據結構也很簡單，叫做 etharp_q_entry，該結構的定義如下： 

————etharp.h——————————————————
struct etharp_q_entry 
{
　　struct etharp_q_entry *next; //指向下一個緩沖數據包
　　struct pbuf *p; //指向數據包 pbuf
};
—————————————————————————————————

　　用一個圖來看看 etharp_q_entry 結構在緩存表數據隊列中的作用，如圖 9­2 所示。 

　　　　　　　　

　　state 是個枚舉類型，它描述該緩存表項的狀態，LwIP 中定義一個緩存表項可能有三種不同的狀態，用枚舉型 etharp_state 進行描述。 

————etharp.c—————————————————————————
enum etharp_state 
{
　　ETHARP_STATE_EMPTY = 0, //empty 狀態
　　ETHARP_STATE_PENDING, //pending 狀態
　　ETHARP_STATE_STABLE //stable 狀態
};
————————————————————————————————

　　編譯器為 ARP 表預先定義了 ARP_TABLE_SIZE（通常為 10）個表項空間，因此 ARP 緩存表內部最多只能存放 ARP_TABLE_SIZE 條 IP 地址與 MAC 地址配對信息。 

————etharp.c——————————————————————
static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE]; //定義 ARP 緩存表
——————————————————————————————————

　　ETHARP_STATE_EMPTY 狀態（empty） ：初始化的時候為empty狀態。　　　　

　　ETHARP_STATE_PENDING 狀態（pending）：表示該表項處於不穩定狀態，此時該表項只記錄到了IP 地址，但是還未記錄到對應的 MAC 地址。 很可能的情況是，LwIP 內核已經發出一個關於該 IP地址的 ARP 請求到數據鏈路上，但是還未收到 ARP 應答。 

　　ETHARP_STATE_STABLE 狀態（stable） ：當 ARP 表項被更新后，它就記錄了一對完整的 IP 地址和MAC 地址 。

　　在ETHARP_STATE_PENDING 狀態下會設定超時時間（10秒），當計數超時后，對應的表項將被刪除；在ETHARP_STATE_STABLE 狀態下也會設定超時時間（20分鍾），當計數超時后，對應的表項將被刪除。

　　最后一個字段，網絡接口結構指針 netif，在 ARP 表項中維護這樣一個指針還是很有用的，因為該結構中包含了網絡接口的 MAC 地址和 IP 地址等信息，在發送數據包的時候，這些信息都起着至關重要的作用。 　　

　　ctime 為每個表項的計數器，周期性的去調用一個 etharp_tmr 函數，這個函數以 5 秒為周期被調用，在這個函數中，它會將每個ARP 緩存表項的 ctime 字段值加 1，當相應表項的生存時間計數值 ctime 大於系統規定的某個值時，系統將刪除對應的表項。 

————etharp.c————————————————————
//穩定狀態表項的最大生存時間計數值：240*5s=20min
#define ARP_MAXAGE 240
//PENDING 狀態表項的最大生存時間計數值：2*5s=10s
#define ARP_MAXPENDING 2
void etharp_tmr(void)
{
　　u8_t i;
　　for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i)
　　{ //對每個表項操作，包括空閑狀態的表項
　　　　arp_table[i].ctime++; //先將表項 ctime 值加 1
　　　　//如果表項是 stable 狀態，且生存值大於 ARP_MAXAGE，
　　　　//或者是 pending 狀態且其生存值大於 ARP_MAXPENDING，則刪除表項
　　　　if ( ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE) && //stable 狀態
　　　　　　　　(arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE))
　　　　　　　　　　|| //或者
　　　　　　　　　　((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) && //pending 狀態
　　　　　　　　　　　　(arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING)) ) 
　　　　{
　　　　　　if (arp_table[i].q != NULL) 
　　　　　　{ //如果表項上的數據隊列中有數據，
　　　　　　　　free_etharp_q(arp_table[i].q); //則釋放隊列中的所有數據
　　　　　　　　arp_table[i].q = NULL; //隊列設置為空
　　　　　　}
　　　　　　arp_table[i].state = ETHARP_STATE_EMPTY; //將表項狀態改為未用，即刪除
　　　　}//if
　　}//for
}
——————————————————————————————————

2、ARP報文

　　源主機如何告訴目的主機：我需要你的 MAC 地址；而目的主機如何回復：這就是我的 MAC 地址。ARP 報文（或者稱之為 ARP 數據包），這就派上用場了。 ARP 請求和 ARP 應答，它們都是被組裝在一個 ARP 數據包中發送的，
這里先來看看一個典型的 ARP 包的組成結構。如圖 9­3 所示

　　　　　　　　　　

　　以太網目的地址和以太網源地址：分別表示以太網目的MAC地址和源MAC地址，目的地址全1時是特殊地址以太網廣播地址。在 ARP 表項建立前，源主機只知道目的主機的 IP 地址，並不知道其 MAC 地址，所以在數據鏈路上，源主機只有通過廣播的方式將 ARP請求數據包發送出去，同一網段上的所有以太網接口都會接收到廣播的數據包。 

　　楨類型：ARP-0x0806、IP-0x0800、PPPoE-0x8864

　　硬件類型：表示發送方想要知道的硬件類型。1-以太網MAC地址

　　協議類型：表示要映射的協議地址類型，0x0800-表示要映射為IP地址　　

　　硬件地址長度和協議地址長度：以太網ARP請求和應答來說分別為6和4，代表MAC地址長度和IP地址長度。在 ARP 協議包中留出硬件地址長度字段和協議地址長度字段可 以使得 ARP 協議在任何網絡中被使用，而不僅僅只在以太網中。 

　　op：指出ARP數據包的類型，ARP請求（1），ARP應答（2）

　　在以太網的數據幀頭部中和 ARP 數據包中都有發送端的以太網MAC 地址。對於一個 ARP 請求包來說，除接收方以太網地址外的所有字段都應該被填充相應的值。當接收方主機收到一份給自己的 ARP 請求報文后，它就把自己的硬件地址填進去，然后將該請求數據包的源主機信息和目的主機信息交換位置，並把操作字段 op 置為 2，最后把該新構建的數據包發送回去，這就是 ARP 應答。 

　　關於上圖中的這個結構，在 ARP 中用了一大堆的數據結構和宏來描述它們。

————etharp.h————————————————
#ifndef ETHARP_HWADDR_LEN
#define ETHARP_HWADDR_LEN 6 //以太網物理地址長度
#endif
PACK_STRUCT_BEGIN //我們移植時實現的結構體封裝宏
struct eth_addr 
{ //定義以太網 MAC 地址結構體 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 //定義以太網數據幀首部結構體 eth_hdr，禁止編譯器自對齊
struct eth_hdr 
{
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); //以太網目的地址（6 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); //以太網源地址（6 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //幀類型（2 字節）
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
//定義以太網幀頭部長度宏，其中 ETH_PAD_SIZE 已定義為 0
#define SIZEOF_ETH_HDR (14 + ETH_PAD_SIZE)
PACK_STRUCT_BEGIN //定義 ARP 數據包結構體 etharp_hdr，禁止編譯器自對齊
struct etharp_hdr 
{
　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); //硬件類型（2 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); //協議類型（2 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hwlen_protolen); //硬件+協議地址長度（2 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); //操作字段 op（2 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr); //發送方 MAC 地址（6 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr); //發送方 IP 地址（4 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr); //接收方 MAC 地址（6 字節）
　　PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr); //接收方 IP 地址（4 字節）
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define SIZEOF_ETHARP_HDR 28 //宏，ARP 數據包長度
//宏，包含 ARP 數據包的以太網幀長度
#define SIZEOF_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
#define ETHTYPE_ARP 0x0806
#define ETHTYPE_IP 0x0800
//ARP 數據包中 OP 字段取值宏定義
#define ARP_REQUEST 1 //ARP 請求
#define ARP_REPLY 2 //ARP 應答
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　　發送 ARP 請求數據包的函數叫 etharp_request，看名字就曉得了。這個函數很簡單，它是通過調用 etharp_raw 函數來實現的，調用后者時，需要為它提供 ARP數據包中各個字段的值，后者直接將各個字段的值填寫到在一個 ARP 包中發送（該函數並不知道發送的是 ARP 請求還是 ARP 響應，它只管組裝並發送，所以稱之為 raw） 

————etharp.c——————————————————
//函數功能：根據各個參數字段組織一個 ARP 數據包並發送
//參數 netif：發送 ARP 包的網絡接口結構
//參數 ethsrc_addr：以太網幀首部中的以太網源地址值
//參數 ethdst_addr：以太網幀首部中的以太網目的地址值
//參數 hwsrc_addr：ARP 數據包中的發送方 MAC 地址
//參數 ipsrc_addr：ARP 數據包中的發送方 IP 地址
//參數 hwdst_addr：ARP 數據包中的接收方 MAC 地址
//參數 ipdst_addr：ARP 數據包中的接收方 IP 地址
//參數 opcode：ARP 數據包中的 OP 字段值，請求ARP為1，應答ARP為2
//注：ARP 數據包中其他字段使用預定義值，例如硬件地址長度為 6，協議地址長度為 4
err_t etharp_raw(struct netif *netif, const struct eth_addr *ethsrc_addr,
const struct eth_addr *ethdst_addr,
const struct eth_addr *hwsrc_addr, const struct ip_addr *ipsrc_addr,
const struct eth_addr *hwdst_addr, const struct ip_addr *ipdst_addr,
const u16_t opcode)
{
　　struct pbuf *p; //數據包指針
　　err_t result = ERR_OK; //返回結果
　　u8_t k;
　　struct eth_hdr *ethhdr; //以太網數據幀首部結構體指針
　　struct etharp_hdr *hdr; // ARP 數據包結構體指針
　　//先在內存堆中為 ARP 包分配空間，大小為包含 ARP 數據包的以太網幀總大小
　　p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, SIZEOF_ETHARP_PACKET, PBUF_RAM);
　　if (p == NULL) 
　　{ //若分配失敗則返回內存錯誤
　　　　return ERR_MEM;
　　}
　　//到這里，內存分配成功
　　ethhdr = p­>payload; // ethhdr 指向以太網幀首部區域
　　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，注意大小端轉換
　　k = ETHARP_HWADDR_LEN; //循環填寫數據包中各個 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]; //以太網幀首部中的以太網目的地址
　　　　ethhdr­>src.addr[k] = ethsrc_addr­>addr[k]; //以太網幀首部中的以太網源地址
　　}
　　hdr­>sipaddr = *(struct ip_addr2 *)ipsrc_addr; //填寫 ARP 頭部的發送方 IP 地址
　　hdr­>dipaddr = *(struct ip_addr2 *)ipdst_addr; //填寫 ARP 頭部的接收方 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
　　hdr­>proto = htons(ETHTYPE_IP); //ARP 頭部的協議類型為 0x0800
　　//設置兩個長度字段
　　hdr­>_hwlen_protolen = htons((ETHARP_HWADDR_LEN << 8) | sizeof(struct ip_addr));
　　ethhdr­>type = htons(ETHTYPE_ARP); //以太網幀首部中的幀類型字段，ARP 包
　　result = netif­>linkoutput(netif, p); //調用底層數據包發送函數
　　pbuf_free(p); //釋放數據包
　　p = NULL;
　　return result; //返回發送結果
}
　　//特殊 MAC 地址的定義，以太網廣播地址
　　const struct eth_addr ethbroadcast = {{0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}};
　　//該值用於填充 ARP 請求包的接收方 MAC 字段，無實際意義
　　const struct eth_addr ethzero = {{0,0,0,0,0,0}};
　　//函數功能：發送 ARP 請求
　　//參數 netif：發送 ARP 請求包的接口結構
　　//參數 ipaddr：請求具有該 IP 地址主機的 MAC
　　err_t etharp_request(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr)
　　{
　　　　//該函數只是簡單的調用函數 etharp_raw，為函數提供所有相關參數
　　　　return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif­>hwaddr, &ethbroadcast,
　　　　(struct eth_addr *)netif­>hwaddr, &netif­>ip_addr, &ethzero,
　　　　ipaddr, ARP_REQUEST);
　　}
——————————————————————————————————

三、ARP層數據包輸入

1、以太網數據包遞交

　　在我們說網卡驅動的時候講到了數據包接收函數 ethernetif_input，這個函數是源碼作者提供的一個以太網數據包接收和遞交函數，它的功能是調用底層數據包接收函數 low_level_input 讀取網卡中的數據包，然后在將該數據包遞交給相應的上層處理。

————ethernetif.c————————————————
static void ethernetif_input(struct netif *netif)
{
　　struct ethernetif *ethernetif; //用戶自定義的網絡接口信息結構，這里無用處
　　struct eth_hdr *ethhdr; //以太網幀頭部結構指針
　　struct pbuf *p;
　　ethernetif = netif­>state; //獲得自定義的網絡信息結構，無實際意義
　　p = low_level_input(netif); //調用底層函數讀取一個數據包
　　if (p == NULL) return; //如果數據包為空，則直接返回
　　//到這里數據包不為空
　　ethhdr = p­>payload; //將 ethhdr 指向數據包中的以太網頭部
　　switch (htons(ethhdr­>type)) 
　　{ //判斷幀類型，注意大小端轉換
　　　　case ETHTYPE_IP: //對於 IP 包和 ARP 包，都調用注冊的 netif­>input 函數
　　　　case ETHTYPE_ARP: //進行處理
　　　　　　etharp_arp_input(netif, (struct eth_addr*)(netif­>hwaddr), p); 

　　　　　　if (netif­>input(p, netif)!=ERR_OK)
　　　　　　{ //未完成正常的處理，則釋放數據包
　　　　　　　pbuf_free(p);
　　　　　　　p = NULL;
　　　　　　}
　　　　　　break;
　　　　default: //對於其他類型的數據包，直接釋放掉，不做處理
　　　　　　pbuf_free(p);
　　　　　　p = NULL;
　　　　　　break;
　　}//switch
}
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2、ARP數據包處理

　　首先，若這個請求的 IP 地址與本機地址不匹配，那么就不需要返回 ARP 應答，但由於該 ARP 請求包中包含了發送請求的主機的 IP 地址 和 MAC 地址，可以將這個地址對加入到 ARP 緩存表中，以便后續使用；其次，如果 ARP 請求與本機 IP 地址匹配，此時，除了進行上述的記錄源主機的 IP 地址和 MAC 地址外，還需要給源主機返回一個 ARP 應答。整個過程清楚后，就可以來看具體的代碼實現了。 

————etharp.c————————————————————
//函數功能：處理 ARP 數據包，更新 ARP 緩存表，對 ARP 請求進行應答
//參數 ethaddr：網絡接口的 MAC 地址
void etharp_arp_input(struct netif *netif, struct eth_addr *ethaddr, struct pbuf *p)
{
　　struct etharp_hdr *hdr; //指向 ARP 數據包頭部的變量
　　struct eth_hdr *ethhdr; //指向以太網幀頭部的變量
　　struct ip_addr sipaddr, dipaddr; //暫存 ARP 包中的源 IP 地址和目的 IP 地址
　　u8_t i;
　　u8_t for_us; //用於指示該 ARP 包是否是發給本機的
　　//接下來判斷 ARP 包是否是放在一個 pbuf 中的，由於整個 ARP 包都使用結構 etharp_hdr
　　//進行操作，如果 ARP 包是分裝在兩個 pbuf 中的，那么對於結構體 etharp_hdr 的操作將
　　//無意義，我們直接丟棄掉這種類型的 ARP 包
　　if (p­>len < SIZEOF_ETHARP_PACKET) 
　　{ //ARP 包不能分裝在兩個 pbuf 中
　　　　pbuf_free(p); //否則直接刪除，函數返回
　　　　return;
　　}
　　ethhdr = p­>payload; // ethhdr 指向以太網幀首部
　　hdr = (struct etharp_hdr *)((u8_t*)ethhdr + SIZEOF_ETH_HDR); //hdr 指向 ARP 包首部
　　//這里需要判斷 ARP 包的合法性，丟棄掉那些類型、長度不合法的 ARP 包
　　if ((hdr­>hwtype != htons(HWTYPE_ETHERNET)) || //是否為以太網硬件類型
　　　　(hdr­>_hwlen_protolen != htons((ETHARP_HWADDR_LEN << 8) | sizeof(struct ip_addr))) ||
　　　　　　(hdr­>proto != htons(ETHTYPE_IP)) || //協議類型為 IP
　　　　　　　　(ethhdr­>type != htons(ETHTYPE_ARP))) 
　　{ //是否為 ARP 數據包
　　　　pbuf_free(p); //若不符合，則刪除數據包，函數返回
　　　　return;
　　}
　　//這里需要將 ARP 包中的兩個 IP 地址數據拷貝到變量 sipaddr 和 dipaddr 中，因為后面
　　//會使用這兩個 IP 地址，但 ARP 數據包中的 IP 地址字段並不是字對齊的，不能直接使用
　　SMEMCPY(&sipaddr, &hdr­>sipaddr, sizeof(sipaddr)); //拷貝發送方 IP 地址到 sipaddr 中
　　SMEMCPY(&dipaddr, &hdr­>dipaddr, sizeof(dipaddr)); //拷貝接收方 IP 地址到 dipaddr 中
　　//下面判斷這個 ARP 包是否是發送給我們的
　　if (netif­>ip_addr.addr == 0) 
　　{ //如果網卡 IP 地址未配置
　　　　for_us = 0; //那么肯定不是給我們的，設置標志 for_us 為 0
　　} else 
　　{ //如果網卡 IP 地址已經設置，則將目的 IP 地址與網卡 IP 地址比較
　　　　for_us = ip_addr_cmp(&dipaddr, &(netif­>ip_addr)); //若相等，for_us 被置為 1
　　}
　　//下面我們開始更新 ARP 緩存表
　　if (for_us) 
　　{ //如果這個 ARP 包（請求或響應）是給我們的，則更新 ARP 表
　　　　update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr­>shwaddr), ETHARP_TRY_HARD);
　　} else 
　　{//若不是給我們的，也更新 ARP 表，但是不設置 ETHARP_TRY_HARD 標志
　　　　update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr­>shwaddr), 0);
　　}
　　//到這里，ARP 更新完畢，需要對 ARP 請求做出處理
　　switch (htons(hdr­>opcode)) 
　　{ //判斷 ARP 數據包的 op 字段
　　　　case ARP_REQUEST: //如果是 ARP 請求
　　　　　　if (for_us) 
　　　　　　{ //且請求中的 IP 地址與本機的匹配，則需要返回 ARP 應答
　　　　　　　　//ARP 應答的返回很簡單，不需要再重新申請一個 ARP 數據包空間，
　　　　　　　  //而是直接將該 ARP 請求包中的相應字段進行改寫，構造一個應答包
　　　　　　　　hdr­>opcode = htons(ARP_REPLY); //將 op 字段改為 ARP 響應類型
　　　　　　　　hdr­>dipaddr = hdr­>sipaddr; //設置接收端 IP 地址
　　　　　　　　//設置發送端 IP 地址為網絡接口中的 IP 地址
　　　　　　　　SMEMCPY(&hdr­>sipaddr, &netif­>ip_addr, sizeof(hdr­>sipaddr));
　　　　　　　　//接下來，設置四個 MAC 地址字段
　　　　　　　　i = ETHARP_HWADDR_LEN;
　　　　　　　　while(i > 0) 
　　　　　　　　{ //目標 MAC 地址可以直接從原來的 ARP 包中得到
　　　　　　　　　　i--­­; //源 MAC 地址我們已經通過參數 ethaddr 傳入
　　　　　　　　　　hdr­>dhwaddr.addr[i] = hdr­>shwaddr.addr[i];//設置 ARP 包的接收端 MAC 地址
　　　　　　　　　　ethhdr­>dest.addr[i] = hdr­>shwaddr.addr[i]; //以太網幀中的目標 MAC 地址
　　　　　　　　　　hdr­>shwaddr.addr[i] = ethaddr­>addr[i]; // ARP 頭部的發送端 MAC 地址
　　　　　　　　　　ethhdr­>src.addr[i] = ethaddr­>addr[i]; //以太網幀頭部的源 MAC 地址
　　　　　　　　}
　　　　　　　　//對於 ARP 包中的其他字段的值（硬件類型、協議類型、長度字段等）
　　　　　　　　//保持它們的值不變，因為在前面已經測試過了它們的有效性
　　　　　　　　netif­>linkoutput(netif, p); //直接發送 ARP 應答包
　　　　　　} else if (netif­>ip_addr.addr == 0) 
　　　　　　　　{//ARP 請求數據包不是給我們的， 不做任何處理
　　　　　　　　} //這里只打印一些調試信息，筆者已將它們去掉
　　　　　　else 
　　　　　　　　{
　　　　　　　　}
　　　　　　break;
　　　case ARP_REPLY: //如果是 ARP 應答，我們已經在最開始更新了 ARP 表
　　　　break; //這里神馬都不用做了
　　　default:
　　　　break;
　　}// switch
　　pbuf_free(p); //刪除數據包 p
}
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3、ARP攻擊

4、ARP緩存表更新

四、ARP層數據包輸出

1、ARP層數據處理總流程

　　　　　　　　

 

2、廣播包與多播包的發送　　

　　etharp_output 函數被 IP 層的數據包發送函數 ip_output 調用，它首先根據目的 IP地址的類型為數據包選擇不同的處理方式：當目的 IP 地址為廣播或者多播地址時，etharp_output可以直接根據這個目的地址構造出相應的特殊 MAC 地址，同時把 MAC 地址作為參數，和數據包一起交給 etharp_send_ip 發送；當目的 IP 地址為單播地址時，需要調用 etharp_query 函數在 ARP表中查找與目的 IP 地址對應的 MAC 地址，若找到，則函數 etharp_send_ip 被調用，以發送數據包；若找不到，則函數 etharp_request 被調用它會發送一個關於目的 IP 地址的 ARP 請求包，出現這種情況時，我們還需要將 IP 包掛接的相應表項的緩沖隊列中，直到對應的ARP 應答返回時，該數據包才會被發送出去。 

————etharp.c——————————————
//函數功能：發送一個 IP 數據包 pbuf 到目的地址 ipaddr 處，該函數被 IP 層調用
//參數 netif：指向發送數據包的網絡接口結構
//參數 q：指向 IP 數據包 pbuf 的指針
//參數 ipaddr：指向目的 IP 地址
err_t etharp_output(struct netif *netif, struct pbuf *q, struct ip_addr *ipaddr)
{
　　struct eth_addr *dest, mcastaddr;
　　if (pbuf_header(q, sizeof(struct eth_hdr)) != 0) {//調整 pbuf 的 payload 指針，使其指向
　　return ERR_BUF; //以太網幀頭部，失敗則返回
　　}
　　dest = NULL;
　　if (ip_addr_isbroadcast(ipaddr, netif)) 
　　{//如果是廣播 IP 地址
　　　　dest = (struct eth_addr *)&ethbroadcast; //dest 指向廣播 MAC 地址
　　} else if (ip_addr_ismulticast(ipaddr)) 
　　{//如果是多播 IP 地址
　　　　mcastaddr.addr[0] = 0x01; //則構造多播 MAC 地址
　　　　mcastaddr.addr[1] = 0x00;
　　　　mcastaddr.addr[2] = 0x5e;
　　　　mcastaddr.addr[3] = ip4_addr2(ipaddr) & 0x7f;
　　　　mcastaddr.addr[4] = ip4_addr3(ipaddr);
　　　　mcastaddr.addr[5] = ip4_addr4(ipaddr);
　　　　dest = &mcastaddr; // dest 指向多播 MAC 地址
　　} else { //如果為單播 IP 地址
　　　　//判斷目的 IP 地址是否為本地的子網上，若不在，則修改 ipaddr
　　　　if (!ip_addr_netcmp(ipaddr, &(netif­>ip_addr), &(netif­>netmask))) 
　　　　{
　　　　　　if (netif­>gw.addr != 0) 
　　　　　　{ //需要將數據包發送到網關處，由網關轉發
　　　　　　　　ipaddr = &(netif­>gw); //更改變量 ipaddr，數據包發往網關處
　　　　　　} else 
　　　　　　{ //如果網關未配置，返回錯誤
　　　　　　　　return ERR_RTE;
　　　　　　}
　　　　}
　　　　//對於單播包，調用 etharp_query 查詢其 MAC 地址並發送數據包
　　　　return etharp_query(netif, ipaddr, q);
　　}
　　//對於多播和廣播包，由於得到了它們的目的 MAC 地址，所以可以直接發送
　　return etharp_send_ip(netif, q, (struct eth_addr*)(netif­>hwaddr), dest);
}
————————————————————————————————

　　廣播包：調用函數 ip_addr_isbroadcast 判斷目的 IP 地址是否為廣播地址，如果是廣播包，則目的 MAC 地址不需要查詢 arp 表，由於廣播 MAC 地址的 48 位均為 1，即目的 MAC 六個字節值為ff­ff­ff­ff­ff­ff。

　　多播包：判斷目的 IP 地址是不是 D 類 IP 地址，如果是，則 MAC 地址可以直接計算得出，即將 MAC 地址 01­00­5E­00­00­00 的低 23 位設置為 IP 地址的低 23 位。對於以上的兩種數據包，etharp_output 直接調用函數 etharp_send_ip 將數據包發送出去。

　　單播包：要比較目的 IP 和本地 IP 地址，看是否是局域網內的，若不是局域網內的，則將目的IP 地址設置為默認網關的地址，然后再統一調用 etharp_query 函數查找目的 MAC 地址，最后將數據包發送出去。 

————etharp_send_ip————————————————————
//函數功能：填寫以太網幀頭部，發送以太網幀
//參數 p：指向以太網幀的 pbuf
//參數 src：指向源 MAC 地址
//參數 dst：指向目的 MAC 地址
static err_t
etharp_send_ip(struct netif *netif, struct pbuf *p, struct eth_addr *src, struct eth_addr *dst)
{
　　struct eth_hdr *ethhdr = p­>payload; //指向以太網幀頭部
　　u8_t k;
　　k = ETHARP_HWADDR_LEN;
　　while(k > 0)
　　{
　　　　k--­­;
　　　　ethhdr­>dest.addr[k] = dst­>addr[k]; //填寫目的 MAC 字段
　　　　ethhdr­>src.addr[k] = src­>addr[k]; //填寫源 MAC 字段
　　}
　　ethhdr­>type = htons(ETHTYPE_IP); //填寫幀類型字段
　　return netif­>linkoutput(netif, p); //調用網卡數據包發送函數
}
————————————————————————————————————

　　這個函數尤其簡單，直接根據傳入的參數填寫以太網幀首部的三個字段，然后調用注冊的底層數據包發送函數將數據包發送出去。 

3、單播包的發送

　　如果給定的 IP 地址不在 ARP 表中，則一個新的 ARP 表項會被創建，此時該表項處於 pending 狀態，同時一個關於該 IP 地址的 ARP 請求會被廣播出去，再同時要發送的 IP 數據包會被掛接在該表項的數據緩沖指針上；如果 IP 地址在 ARP 表中有相應的表項存在，但該表項處於pending 狀態，則操作與前者相同，即發送一個 ARP 請求和掛接數據包；如果 IP 地址在 ARP 表中有相應的表項存在，且表項處於 stable 狀態，此時再來判斷給定的數據包是否為空，不為空則直接將該數據包發送出去，為空則向該 IP 地址發送一個 ARP 請求。 

//函數功能：查找單播 IP 地址對應的 MAC 地址，並發送數據包
//參數 ipaddr：指向目的 IP 地址
//參數 q：指向以太網數據幀的 pbuf
err_t etharp_query(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct pbuf *q)
{
　　struct eth_addr * srcaddr = (struct eth_addr *)netif->hwaddr;
　　err_t result = ERR_MEM;
　　s8_t i;
　　//調用函數 find_entry 查找或創建一個 ARP 表項
　　i = find_entry(ipaddr, ETHARP_TRY_HARD);
　　if (i < 0) 
　　{ //若查找失敗，則 i 小於 0，直接返回
　　　　return (err_t)i;
　　}
　　//如果表項的狀態為 empty，說明表項是剛創建的，且其中已經記錄了 IP 地址
　　if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY) 
　　{ //將表項的狀態改為 pending
　　　　arp_table[i].state = ETHARP_STATE_PENDING;
　　}
　　if ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) || (q == NULL)) 
　　{//數據包為空，或
　　　　result = etharp_request(netif, ipaddr); //表項為 pending 態，則發送 ARP 請求包
　　}
　　if (q != NULL) 
　　{//數據包不為空，則進行數據包的發送或者將數據包掛接在緩沖隊列上
　　　　if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE) {//ARP 表穩定，則直接發送數據包
　　　　　　result = etharp_send_ip(netif, q, srcaddr, &(arp_table[i].ethaddr));
　　　　} else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) {//否則，掛接數據包
    　　　　struct pbuf *p;
    　　　　int copy_needed = 0;//是否需要重新拷貝整個數據包，數據包全由 PBUF_ROM
    　　　　p = q; //類型的 pbuf 組成時，才不需要拷貝
    　　　　while (p) { //判斷是否需要拷貝整個數據包
    　　　　　　if(p->type != PBUF_ROM) {
    　　　　　　　　copy_needed = 1;
    　　　　　　　　break;
    　　　　　　}
    　　　　　　p = p->next;
    　　　　}
    　　　　if(copy_needed) { //如果需要拷貝，則申請內存堆空間
    　　　　　　p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, p->tot_len, PBUF_RAM);//申請一個 pbuf 空間
    　　　　　　if(p != NULL) {申請成功，則執行拷貝操作
    　　　　　　if (pbuf_copy(p, q) != ERR_OK) {//拷貝失敗，則釋放申請的空間
    　　　　　　　　pbuf_free(p);
    　　　　　　　　p = NULL;
    　　　　　　}
    　　　　}
    　　　　} else { //如果不需要拷貝
    　　　　　　p = q; //設置 p
    　　　　　　pbuf_ref(p); //增加 pbuf 的 ref 值
    　　　　}
    　　　　//到這里，p 指向了我們需要掛接的數據包，下面執行掛接操作
    　　　　if (p != NULL) {
    　　　　　　struct etharp_q_entry *new_entry; //為數據包申請一個 etharp_q_entry 結構
    　　　　　　new_entry = memp_malloc(MEMP_ARP_QUEUE); //在內存池 POOL 中
    　　　　　　if (new_entry != NULL) 
    　　　　　　{ //申請成功，則進行掛接操作
    　　　　　　　　new_entry->next = 0; //設置 etharp_q_entry 結構的指針
    　　　　　　　　new_entry->p = p;
    　　　　　　　　if(arp_table[i].q != NULL) { //若緩沖隊列不為空
    　　　　　　　　　　struct etharp_q_entry *r;
    　　　　　　　　　　r = arp_table[i].q;
        　　　　　　　　while (r->next != NULL) {//則找到最后一個緩沖包結構
        　　　　　　　　　　r = r->next;
        　　　　　　　　}
        　　　　　　　　r->next = new_entry; //將新的數據包掛接在隊列尾部
        　　　　　　} else { //緩沖隊列為空
        　　　　　　　　arp_table[i].q = new_entry; //直接掛接在緩沖隊列首部
        　　　　　　}
        　　　　　　result = ERR_OK;
    　　　　　　} else { //etharp_q_entry 結構申請失敗，則
    　　　　　　　　pbuf_free(p); //釋放數據包空間
    　　　　　　}
    　　　　 // if (p != NULL)
　　　　　}//else if
　　}// if (q != NULL)
　　return result; //返回函數操作結果
}