1. ARP協議簡介
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ARP（Address Resolution Protocol），地址解析協議。ARP協議處於網絡層，其主要功能就是通過目標設備的 IP 地址，查詢目標設備的 MAC 地址，從而進行網絡通信。
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網絡層中，源主機和目標主機依賴於IP地址進行通信。而鏈路層又有自己的尋址尋址機制（如，以太網依賴於MAC地址進行通信）。ARP的作用在於將IP地址轉換為MAC地址，從而連接網絡層與鏈路層，使得上層可以通過IP地址進行網絡通信。
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ARP協議的基本運作過程如下：
2. ARP緩存表
2.1 ARP緩存表的定義
每台主機或路由器在其內存中都存儲着一個ARP緩存表，表中記錄着了<IP 地址，MAC 地址>對，反映着目標主機的IP地址與MAC地址的映射關系。
1 /*lwip/src/netif/etharp.c*/ 2 3 enum etharp_state { 4 ETHARP_STATE_EMPTY = 0, //空狀態，表示該表項為空 5 ETHARP_STATE_PENDING, //掛起狀態，表示該表項還未收到目標主機的ARP應答 6 ETHARP_STATE_STABLE, //可用狀態，表示該表項可用 7 ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1,//過渡狀態 8 ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2 //過渡狀態 9 #if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES 10 , ETHARP_STATE_STATIC 11 #endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */ 12 }; 13 14 struct etharp_entry { 15 #if ARP_QUEUEING 16 /* 指向此ARP表項上掛起的數據包隊列*/ 17 struct etharp_q_entry *q; 18 #else /* ARP_QUEUEING */ 19 /*指向此ARP表項上掛起的單個數據包 */ 20 struct pbuf *q; 21 #endif /* ARP_QUEUEING */ 22 ip_addr_t ipaddr; //目標主機的IP地址 23 struct netif *netif; //目標主機的網卡信息 24 struct eth_addr ethaddr;//目標主機的MAC地址 25 u8_t state; //此表項的狀態 26 u8_t ctime; //此表項的生存時間 27 }; 28 29 static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE]; //LWIP協議棧的ARP緩存表
- 表項的數據包指針q：指針q指向需要發送至該目標主機的數據包。struct etharp_q_entry *q指向一個數據包隊列，struct pbuf *q指向單個數據包。
- 表項的生存時間ctime：每個表項都包含一個ctime變量，表示該表項的生存時間。當達到指定的生存時間，該表項會被刪除。
2.2 緩存表的動態處理
ARP協議的核心就是對緩存表的動態處理。因為IP地址可能是動態的，所以ARP緩存表必須動態更新。
ARP協議中，通過發送ARP請求包、接收ARP應答包、ARP緩存表超時處理來實現緩存表的動態更新。
（1）發送ARP請求包
發送數據時，若不存在目標主機的表項，則新建一個表項，並發送ARP請求包；若存在目標主機的表項，對處於ETHARP_STATE_STABLE的表項，會再次發送ARP請求包，以確認目標主機依然在工作狀態。詳見4. ARP協議工作流程。
（2）接收ARP應答包
接收到ARP應答包時，將ARP應答包包含的<IP 地址，MAC 地址>對添加到緩存表。詳見4. ARP協議工作流程。
（3）ARP緩存表超時處理
緩存表的超時處理。周期性（1S）調用 etharp_tmr()函數，動態更新緩存表項的生存時間，以及它的狀態。
在ARP緩存表的動態更新過程中，其表現狀態變化過程如下：
3. ARP報文
ARP協議的請求與應答同時通過ARP報文來實現的。ARP的報文將被封裝在以太網幀中進行發送。
3.1 以太網幀結構
（1）MAC地址
MAC Address(Media Access Control Address)，亦稱為 EHA（Ethernet Hardware Address）、硬件地址、物理地址（Physical Address）、鏈路地址。MAC的值被固化在網卡的ROM中，以唯一標識該網卡。MAC地址長度為 6字節，其前 3個字節（組 織唯一標志符）表示廠家的代碼，后 3個字節（擴展標識符）由廠家自行分配。 目標 MAC地址可以分成三類，單播地址、多播地址和廣播地址。
- 單播地址：即目標主機的MAC地址，發送數據至特定的目標主機。
- 多播地址：MAC的第一個字節的bit0為1，發送數據至多個目標主機。
- 廣播地址：MAC地址為全1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，發送數據至同一子網內的所有主機。
（2）以太網幀結構
在鏈路層中，數據被封裝為以太網幀結構進行發送。以太網幀結構如下：
前同步碼：它的作用是實現物理層幀輸入輸出的同步，其值都是 10101010（0x55，大端模式）。
- 幀開始符：表示着以 太網幀的開始，其值都是 10101011（0xD5， 大端模式）。
- 目標MAC地址：接收設備的MAC地址。
- 源MAC地址：發送設備的MAC地址。
- 類型：表示網絡協議的類型。一台給定的主機可以支持多種網絡層協議，不同的應用采用不同的協議。因此，當以太網幀到達網卡中，網卡需要知道它應該將數據字段的內容傳遞給哪個網絡層協議。如 IP 協議、ARP協議等。
- 數據：包含需要被發送的數據（如IP數據包、ARP數據包）。以太網的最大傳輸單元 （MTU）是1500字節，若數據包超過1500字節，則需要分片傳輸；若數據包小於46字節，則需要填充至46字節再發送。
- CRC：以太網的差錯校驗信息。
P.S.:當“類型”字段的值小於 1518時，它表示后面數據字段的數據長度，當大於1518的時候才表示遞交給哪個協議。
3.2 ARP報文結構
（1）ARP報文格式如下：
- 硬件類型：目標網卡的硬件類型，表明ARP報文可以在哪種類型的網絡上傳輸。1表示以太網地址。
- 協議類型：硬件地址要映射的協議地址類型。映射IP地址時的值為0x0800.
- 硬件地址長度：即MAC地址的長度（以太網的MAC地址長度為6）。
- 協議地址長度：即IP地址的長度。
- 操作類型：指定本次ARP報文的類型。1：ARP請求報文；0：ARP響應報文。
- 源MAC地址：發送設備的MAC地址。
- 源IP地址：發送設備的IP地址。
- 目標MAC地址：接收設備的MAC地址。在ARP請求報文中，目標MAC地址未知，MAC字段的值為全0（即00-00-00-00-00-00）。
- 目標IP地址：接收設備的IP地址。
（2）ARP幀格式：
ARP報文將被傳輸到鏈路層，加上以太網的幀頭，形成ARP幀，再通過鏈路層發送出去。ARP幀的格式如下：
- 目標MAC地址：接收設備的MAC地址。在ARP請求報文中，它的目標為網絡上的所有主機，目標MAC字段的值為FF-FF-FF-FF-FF-FF（廣播地址）。
- 源MAC地址：發送設備的MAC地址。
- 幀類型：標識幀封裝的上層協議。此處封裝的為ARP協議，它的值為0x0806。
（3）幀格式的定義
1 /*lwip2.1.2/src/include/lwip/port/ethernet.h*/ 2 #define ETH_HWADDR_LEN 6 //以太網地址長度 3 4 struct eth_addr //以太網地址結構體 5 { 6 PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t addr[ETH_HWADDR_LEN]); 7 } PACK_STRUCT_STRUCT; 8 9 struct eth_hdr //以太網首部 9 10 { 11 PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr dest); //以太網目標 MAC 地址 12 PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr src); //以太網源 MAC 地址 13 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //幀類型 14 } PACK_STRUCT_STRUCT; 15 16 17 /*lwip2.1.2/src/include/lwip/port/etharp.h*/ 18 struct etharp_hdr //ARP 報文 19 { 20 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); //硬件類型 21 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); //協議類型 22 PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t hwlen); //硬件地址長度 23 PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t protolen); //協議地址長度 24 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); //op 字段 25 /* 以上是 ARP 報文首部 */ 26 27 PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr shwaddr); //源 MAC 地址 28 PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned sipaddr);//源 ip 地址 29 PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr dhwaddr); //目標 MAC 地址 30 PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned dipaddr);//目標 ip 地址 31 } PACK_STRUCT_STRUCT; 32 33 enum etharp_opcode //op 字段操作 34 { 35 ARP_REQUEST = 1, //請求包 33 36 ARP_REPLY = 2 //應答包 34 37 };
4. ARP協議工作流程
（1）數據包接收流程說明：
- 硬件網卡接收到數據之后，會調用ethernet_input()函數來處理接收到的數據包。ethernet_input()函數根據數據包中的以太網首部的幀類型進行分別處理；當幀類型為IP協議，則該數據包為IP數據包，調用ip4_input()函數進行處理；當幀類型為ARP協議，則該數據包為ARP數據包，調用 etharp_input()函數進行處理。
- etharp_input()函數對ARP數據包進行處理。首先調用 etharp_update_arp_entry()更新ARP緩存表。然后判斷ARP數據包類型。如果是ARP請求包，且是發送給本機的，則調用 etharp_raw()函數發送ARP應答包；如果不是發送給本機的ARP請求包，則丟棄。
- etharp_update_arp_entry()對ARP緩存表進行更新。首先查找或創建ARP表項，設置新建表項的信息。然后檢查改表項是否含有未發送的數據包，若存在，則調用ethernet_output()函數發送該表項上的數據。
（2） 數據包接收流程說明：
- 上層調用etharp_output()函數來發送IP數據包。對於廣播、多播數據包，調用ethernet_output()函數直接發送數據包。對於單播數據包，若源主機與目標主機不在同一個子網，則修改IP地址為網關地址；然后遍歷ARP緩存表，如果存在與目標IP地址對應的表項，且表項狀態>=ETHARP_STATE_STABLE，則調用 etharp_output_to_arp_index()函數發送IP數據包；若不存在，則調用etharp_query()函數。
- etharp_output_to_arp_index()函數用來發送IP數據包。（此時表項狀態必須>=ETHARP_STATE_STABLE）首先，更新該表項信息，確認目標主機是否在工作狀態。當表項還有15s到期，調用(etharp_request()函數以廣播方式發送ARP數據包；當表項還有30秒到期，調用etharp_request_dst()函數以單播方式發送ARP請求包。若表項有效期大於30s，則調用ethernet_output()函數發送IP數據包。
- 當ARP表中沒有與目標IP地址對應的表項，或表項的狀態為ETHARP_STATE_PENDING，則etharp_query()函數被調用。etharp_query()函數首先調用 etharp_find_entry()函數查詢或創建新的表項，當該表項為新建表項，或該表項的數據隊列為空時，調用etharp_request()函數發送ARP請求。然后判斷表項的狀態，當表項狀態>=ETHARP_STATE_STABLE，則調用ethernet_output函數發送數據包；當表項狀態為ETHARP_STATE_PENDING，則將數據包插入該表項的數據包隊列。
5. 參考資料
[1] 野火《LwIP應用開發實戰指南》。