三LWIP学习笔记之ARP协议
一、ARP协议简介
ARP，全称 Address Resolution Protocol，译作地址解析协议，ARP 协议与底层网络接口密切相关。TCP/IP 标准分层结构中，把 ARP 划分为了网络层的重要组成部分。 当一个主机上的应用程序要向目标主机发送数据时，它只知道目标主机的 IP 地址，而在协议栈底层接口发送数据包时，需要将该 IP 地址转换为目标主机对应的 MAC 地址，这样才能在数据链路上选择正确的通道将数据包传送出去，在整个转换过程中发挥关键作用的就是 ARP 协议了。 在本章中将看到：
ARP 协议的原理；
ARP 缓存表及其创建、维护、查询；
ARP 报文结构；
ARP 层数据包的接收处理；
ARP 层数据包的发送。
ARP 层是将底层链路与协议上层连接起来的纽带，是以太网通信中不可或缺的协议。
1、物理地址与网络地址
网卡的 48 位 MAC 地址都保存在网卡的内部存储器中，另一方面，TCP/IP 协议有自己的地址：32bit 的 IP 地址（网络地址），网络层发送数据包时只知道目的主机的 IP 地址，而底层接口（如以太网驱动程序）必须知道对方的硬件地址才能将数据发送出去。
为了解决地址映射的问题，ARP 协议提供了一种地址动态解析的机制，ARP 的功能是在 32 bit的 IP 地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射，为上层将底层的物理地址差异屏蔽起来，这样上层的因特网协议便可以灵活的使用 IP 地址进行通信。
2、ARP协议的本质
ARP 协议的基本功能是使用目标主机的 IP 地址，查询其对应的 MAC 地址，以保证底层链路上数据包通信的进行。
举一个简单的例子来看看 ARP 的功能。假如我们的主机（192.168.1.78）需要向开发板（192.168.1.37）发送一个 IP 数据包，当发送数据时，主机会在自己的 ARP 缓存表中寻找是否有目标 IP 地址。如果找到了，也就知道了目标 MAC 地址为（008048123456）， 此时主机直接把目标 MAC 地址写入以太网帧首部发送就可以了；如果在 ARP 缓存表中没有找到相对应的 IP 地址，此时比较不幸，我们的数据需要被延迟发送，随后主机会先在网络上发送一个广播（ARP 请求，以太网目的地址为 FFFFFFFFFFFF），广播的 ARP 请求表示同一网段内的所有主机将会收到这样一条信息：“192.168.1.37 的 MAC 地址是什么？请回答”。网络 IP 地址为 192.168.1.37（开发板）的主机接收到这个帧后，它有义务做出这样的回答（ARP 应答）：“192.168.1.37 的 MAC 地址是（008048123456）”。 这样，主机就知道了开发板的 MAC 地址，先前被延迟的数据包就可以发送了，此外，主机会将这个地址对保存在缓存表中以便后续数据包发送时使用。 ARP 的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。
二、数据结构
源文档中的 etharp.c 和 etharp.h 文件实现了以太网中 ARP 协议的全部数据结构和函数定义，ARP 协议实现过程中有两个重要的数据结构，即 ARP 缓存表和 ARP 报文。
1、ARP表
ARP 协议的核心在于 ARP 缓存表，ARP 的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。ARP 缓存表由缓存表项（entry）组成，每个表项记录了一组 IP 地址和 MAC 地址绑定信息，当然除了这两个基本信息外，还包含了与数据包发送控制、缓存表项管理相关的状态、控制信息。LwIP中描述缓存表项的数据结构叫 etharp_entry，这个结构比较简单，如下所示：
————etharp.c————————————————————————— struct etharp_entry
{ struct etharp_q_entry *q; //数据包缓冲队列指针 struct ip_addr ipaddr; //目标 IP 地址 struct eth_addr ethaddr; // MAC 地址 enum etharp_state state; //描述该 entry 的状态 u8_t ctime; //描述该 entry 的时间信息 struct netif *netif; //对应网络接口信息 }; ——————————————————————————————————
描述缓冲队列的数据结构也很简单，叫做 etharp_q_entry，该结构的定义如下：
————etharp.h—————————————————— struct etharp_q_entry
{ struct etharp_q_entry *next; //指向下一个缓冲数据包 struct pbuf *p; //指向数据包 pbuf }; —————————————————————————————————
用一个图来看看 etharp_q_entry 结构在缓存表数据队列中的作用，如图 92 所示。
state 是个枚举类型，它描述该缓存表项的状态，LwIP 中定义一个缓存表项可能有三种不同的状态，用枚举型 etharp_state 进行描述。
————etharp.c————————————————————————— enum etharp_state
{ ETHARP_STATE_EMPTY = 0, //empty 状态 ETHARP_STATE_PENDING, //pending 状态 ETHARP_STATE_STABLE //stable 状态 }; ————————————————————————————————
编译器为 ARP 表预先定义了 ARP_TABLE_SIZE（通常为 10）个表项空间，因此 ARP 缓存表内部最多只能存放 ARP_TABLE_SIZE 条 IP 地址与 MAC 地址配对信息。
————etharp.c—————————————————————— static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE]; //定义 ARP 缓存表 ——————————————————————————————————
ETHARP_STATE_EMPTY 状态（empty） ：初始化的时候为empty状态。
ETHARP_STATE_PENDING 状态（pending）：表示该表项处于不稳定状态，此时该表项只记录到了IP 地址，但是还未记录到对应的 MAC 地址。 很可能的情况是，LwIP 内核已经发出一个关于该 IP地址的 ARP 请求到数据链路上，但是还未收到 ARP 应答。
ETHARP_STATE_STABLE 状态（stable） ：当 ARP 表项被更新后，它就记录了一对完整的 IP 地址和MAC 地址 。
在ETHARP_STATE_PENDING 状态下会设定超时时间（10秒），当计数超时后，对应的表项将被删除；在ETHARP_STATE_STABLE 状态下也会设定超时时间（20分钟），当计数超时后，对应的表项将被删除。
最后一个字段，网络接口结构指针 netif，在 ARP 表项中维护这样一个指针还是很有用的，因为该结构中包含了网络接口的 MAC 地址和 IP 地址等信息，在发送数据包的时候，这些信息都起着至关重要的作用。
ctime 为每个表项的计数器，周期性的去调用一个 etharp_tmr 函数，这个函数以 5 秒为周期被调用，在这个函数中，它会将每个ARP 缓存表项的 ctime 字段值加 1，当相应表项的生存时间计数值 ctime 大于系统规定的某个值时，系统将删除对应的表项。
————etharp.c———————————————————— //稳定状态表项的最大生存时间计数值：240*5s=20min #define ARP_MAXAGE 240 //PENDING 状态表项的最大生存时间计数值：2*5s=10s #define ARP_MAXPENDING 2 void etharp_tmr(void) { u8_t i; for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i)
{ //对每个表项操作，包括空闲状态的表项 arp_table[i].ctime++; //先将表项 ctime 值加 1 //如果表项是 stable 状态，且生存值大于 ARP_MAXAGE， //或者是 pending 状态且其生存值大于 ARP_MAXPENDING，则删除表项 if ( ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE) && //stable 状态 (arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE)) || //或者 ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) && //pending 状态 (arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING)) )
{ if (arp_table[i].q != NULL)
{ //如果表项上的数据队列中有数据， free_etharp_q(arp_table[i].q); //则释放队列中的所有数据 arp_table[i].q = NULL; //队列设置为空 } arp_table[i].state = ETHARP_STATE_EMPTY; //将表项状态改为未用，即删除 }//if }//for } ——————————————————————————————————
2、ARP报文
源主机如何告诉目的主机：我需要你的 MAC 地址；而目的主机如何回复：这就是我的 MAC 地址。ARP 报文（或者称之为 ARP 数据包），这就派上用场了。 ARP 请求和 ARP 应答，它们都是被组装在一个 ARP 数据包中发送的，
这里先来看看一个典型的 ARP 包的组成结构。如图 93 所示
以太网目的地址和以太网源地址：分别表示以太网目的MAC地址和源MAC地址，目的地址全1时是特殊地址以太网广播地址。在 ARP 表项建立前，源主机只知道目的主机的 IP 地址，并不知道其 MAC 地址，所以在数据链路上，源主机只有通过广播的方式将 ARP请求数据包发送出去，同一网段上的所有以太网接口都会接收到广播的数据包。
桢类型：ARP-0x0806、IP-0x0800、PPPoE-0x8864
硬件类型：表示发送方想要知道的硬件类型。1-以太网MAC地址
协议类型：表示要映射的协议地址类型，0x0800-表示要映射为IP地址
硬件地址长度和协议地址长度：以太网ARP请求和应答来说分别为6和4，代表MAC地址长度和IP地址长度。在 ARP 协议包中留出硬件地址长度字段和协议地址长度字段可 以使得 ARP 协议在任何网络中被使用，而不仅仅只在以太网中。
op：指出ARP数据包的类型，ARP请求（1），ARP应答（2）
在以太网的数据帧头部中和 ARP 数据包中都有发送端的以太网MAC 地址。对于一个 ARP 请求包来说，除接收方以太网地址外的所有字段都应该被填充相应的值。当接收方主机收到一份给自己的 ARP 请求报文后，它就把自己的硬件地址填进去，然后将该请求数据包的源主机信息和目的主机信息交换位置，并把操作字段 op 置为 2，最后把该新构建的数据包发送回去，这就是 ARP 应答。
关于上图中的这个结构，在 ARP 中用了一大堆的数据结构和宏来描述它们。
————etharp.h———————————————— #ifndef ETHARP_HWADDR_LEN #define ETHARP_HWADDR_LEN 6 //以太网物理地址长度 #endif PACK_STRUCT_BEGIN //我们移植时实现的结构体封装宏 struct eth_addr
{ //定义以太网 MAC 地址结构体 eth_addr，禁止编译器自对齐 PACK_STRUCT_FIELD(u8_t addr[ETHARP_HWADDR_LEN]); } PACK_STRUCT_STRUCT; PACK_STRUCT_END PACK_STRUCT_BEGIN //定义以太网数据帧首部结构体 eth_hdr，禁止编译器自对齐 struct eth_hdr
{ PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); //以太网目的地址（6 字节） PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); //以太网源地址（6 字节） PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //帧类型（2 字节） } PACK_STRUCT_STRUCT; PACK_STRUCT_END //定义以太网帧头部长度宏，其中 ETH_PAD_SIZE 已定义为 0 #define SIZEOF_ETH_HDR (14 + ETH_PAD_SIZE) PACK_STRUCT_BEGIN //定义 ARP 数据包结构体 etharp_hdr，禁止编译器自对齐 struct etharp_hdr
{ PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); //硬件类型（2 字节） PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); //协议类型（2 字节） PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hwlen_protolen); //硬件+协议地址长度（2 字节） PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); //操作字段 op（2 字节） PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr); //发送方 MAC 地址（6 字节） PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr); //发送方 IP 地址（4 字节） PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr); //接收方 MAC 地址（6 字节） PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr); //接收方 IP 地址（4 字节） } PACK_STRUCT_STRUCT; PACK_STRUCT_END #define SIZEOF_ETHARP_HDR 28 //宏，ARP 数据包长度 //宏，包含 ARP 数据包的以太网帧长度 #define SIZEOF_ETHARP_PACKET (SIZEOF_ETH_HDR + SIZEOF_ETHARP_HDR) #define ARP_TMR_INTERVAL 5000 //定义 ARP 定时器周期为 5 秒，不同帧类型的宏定义 #define ETHTYPE_ARP 0x0806 #define ETHTYPE_IP 0x0800 //ARP 数据包中 OP 字段取值宏定义 #define ARP_REQUEST 1 //ARP 请求 #define ARP_REPLY 2 //ARP 应答 ————————————————————————————
发送 ARP 请求数据包的函数叫 etharp_request，看名字就晓得了。这个函数很简单，它是通过调用 etharp_raw 函数来实现的，调用后者时，需要为它提供 ARP数据包中各个字段的值，后者直接将各个字段的值填写到在一个 ARP 包中发送（该函数并不知道发送的是 ARP 请求还是 ARP 响应，它只管组装并发送，所以称之为 raw）
————etharp.c—————————————————— //函数功能：根据各个参数字段组织一个 ARP 数据包并发送 //参数 netif：发送 ARP 包的网络接口结构 //参数 ethsrc_addr：以太网帧首部中的以太网源地址值 //参数 ethdst_addr：以太网帧首部中的以太网目的地址值 //参数 hwsrc_addr：ARP 数据包中的发送方 MAC 地址 //参数 ipsrc_addr：ARP 数据包中的发送方 IP 地址 //参数 hwdst_addr：ARP 数据包中的接收方 MAC 地址 //参数 ipdst_addr：ARP 数据包中的接收方 IP 地址 //参数 opcode：ARP 数据包中的 OP 字段值，请求ARP为1，应答ARP为2 //注：ARP 数据包中其他字段使用预定义值，例如硬件地址长度为 6，协议地址长度为 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; //数据包指针 err_t result = ERR_OK; //返回结果 u8_t k; struct eth_hdr *ethhdr; //以太网数据帧首部结构体指针 struct etharp_hdr *hdr; // ARP 数据包结构体指针 //先在内存堆中为 ARP 包分配空间，大小为包含 ARP 数据包的以太网帧总大小 p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, SIZEOF_ETHARP_PACKET, PBUF_RAM); if (p == NULL)
{ //若分配失败则返回内存错误 return ERR_MEM; } //到这里，内存分配成功 ethhdr = p>payload; // ethhdr 指向以太网帧首部区域 hdr = (struct etharp_hdr *)((u8_t*)ethhdr + SIZEOF_ETH_HDR);// hdr 指向 ARP 首部 hdr>opcode = htons(opcode); //填写 ARP 包的 OP 字段，注意大小端转换 k = ETHARP_HWADDR_LEN; //循环填写数据包中各个 MAC 地址字段 while(k > 0)
{ k--; hdr>shwaddr.addr[k] = hwsrc_addr>addr[k]; //ARP 头部的发送方 MAC 地址 hdr>dhwaddr.addr[k] = hwdst_addr>addr[k]; //ARP 头部的接收方 MAC 地址 ethhdr>dest.addr[k] = ethdst_addr>addr[k]; //以太网帧首部中的以太网目的地址 ethhdr>src.addr[k] = ethsrc_addr>addr[k]; //以太网帧首部中的以太网源地址 } hdr>sipaddr = *(struct ip_addr2 *)ipsrc_addr; //填写 ARP 头部的发送方 IP 地址 hdr>dipaddr = *(struct ip_addr2 *)ipdst_addr; //填写 ARP 头部的接收方 IP 地址 //下面填充一些固定字段的值 hdr>hwtype = htons(HWTYPE_ETHERNET); //ARP 头部的硬件类型为 1，即以太网 hdr>proto = htons(ETHTYPE_IP); //ARP 头部的协议类型为 0x0800 //设置两个长度字段 hdr>_hwlen_protolen = htons((ETHARP_HWADDR_LEN << 8) | sizeof(struct ip_addr)); ethhdr>type = htons(ETHTYPE_ARP); //以太网帧首部中的帧类型字段，ARP 包 result = netif>linkoutput(netif, p); //调用底层数据包发送函数 pbuf_free(p); //释放数据包 p = NULL; return result; //返回发送结果 } //特殊 MAC 地址的定义，以太网广播地址 const struct eth_addr ethbroadcast = {{0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}}; //该值用于填充 ARP 请求包的接收方 MAC 字段，无实际意义 const struct eth_addr ethzero = {{0,0,0,0,0,0}}; //函数功能：发送 ARP 请求 //参数 netif：发送 ARP 请求包的接口结构 //参数 ipaddr：请求具有该 IP 地址主机的 MAC err_t etharp_request(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr) { //该函数只是简单的调用函数 etharp_raw，为函数提供所有相关参数 return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif>hwaddr, ðbroadcast, (struct eth_addr *)netif>hwaddr, &netif>ip_addr, ðzero, ipaddr, ARP_REQUEST); } ——————————————————————————————————
三、ARP层数据包输入
1、以太网数据包递交
在我们说网卡驱动的时候讲到了数据包接收函数 ethernetif_input，这个函数是源码作者提供的一个以太网数据包接收和递交函数，它的功能是调用底层数据包接收函数 low_level_input 读取网卡中的数据包，然后在将该数据包递交给相应的上层处理。
————ethernetif.c———————————————— static void ethernetif_input(struct netif *netif) { struct ethernetif *ethernetif; //用户自定义的网络接口信息结构，这里无用处 struct eth_hdr *ethhdr; //以太网帧头部结构指针 struct pbuf *p; ethernetif = netif>state; //获得自定义的网络信息结构，无实际意义 p = low_level_input(netif); //调用底层函数读取一个数据包 if (p == NULL) return; //如果数据包为空，则直接返回 //到这里数据包不为空 ethhdr = p>payload; //将 ethhdr 指向数据包中的以太网头部 switch (htons(ethhdr>type))
{ //判断帧类型，注意大小端转换 case ETHTYPE_IP: //对于 IP 包和 ARP 包，都调用注册的 netif>input 函数 case ETHTYPE_ARP: //进行处理
etharp_arp_input(netif, (struct eth_addr*)(netif>hwaddr), p);
if (netif>input(p, netif)!=ERR_OK)
{ //未完成正常的处理，则释放数据包 pbuf_free(p); p = NULL; } break; default: //对于其他类型的数据包，直接释放掉，不做处理 pbuf_free(p); p = NULL; break; }//switch } ——————————————————————————————————————
2、ARP数据包处理
首先，若这个请求的 IP 地址与本机地址不匹配，那么就不需要返回 ARP 应答，但由于该 ARP 请求包中包含了发送请求的主机的 IP 地址 和 MAC 地址，可以将这个地址对加入到 ARP 缓存表中，以便后续使用；其次，如果 ARP 请求与本机 IP 地址匹配，此时，除了进行上述的记录源主机的 IP 地址和 MAC 地址外，还需要给源主机返回一个 ARP 应答。整个过程清楚后，就可以来看具体的代码实现了。
————etharp.c———————————————————— //函数功能：处理 ARP 数据包，更新 ARP 缓存表，对 ARP 请求进行应答 //参数 ethaddr：网络接口的 MAC 地址 void etharp_arp_input(struct netif *netif, struct eth_addr *ethaddr, struct pbuf *p) { struct etharp_hdr *hdr; //指向 ARP 数据包头部的变量 struct eth_hdr *ethhdr; //指向以太网帧头部的变量 struct ip_addr sipaddr, dipaddr; //暂存 ARP 包中的源 IP 地址和目的 IP 地址 u8_t i; u8_t for_us; //用于指示该 ARP 包是否是发给本机的 //接下来判断 ARP 包是否是放在一个 pbuf 中的，由于整个 ARP 包都使用结构 etharp_hdr //进行操作，如果 ARP 包是分装在两个 pbuf 中的，那么对于结构体 etharp_hdr 的操作将 //无意义，我们直接丢弃掉这种类型的 ARP 包 if (p>len < SIZEOF_ETHARP_PACKET)
{ //ARP 包不能分装在两个 pbuf 中 pbuf_free(p); //否则直接删除，函数返回 return; } ethhdr = p>payload; // ethhdr 指向以太网帧首部 hdr = (struct etharp_hdr *)((u8_t*)ethhdr + SIZEOF_ETH_HDR); //hdr 指向 ARP 包首部 //这里需要判断 ARP 包的合法性，丢弃掉那些类型、长度不合法的 ARP 包 if ((hdr>hwtype != htons(HWTYPE_ETHERNET)) || //是否为以太网硬件类型 (hdr>_hwlen_protolen != htons((ETHARP_HWADDR_LEN << 8) | sizeof(struct ip_addr))) || (hdr>proto != htons(ETHTYPE_IP)) || //协议类型为 IP (ethhdr>type != htons(ETHTYPE_ARP)))
{ //是否为 ARP 数据包 pbuf_free(p); //若不符合，则删除数据包，函数返回 return; } //这里需要将 ARP 包中的两个 IP 地址数据拷贝到变量 sipaddr 和 dipaddr 中，因为后面 //会使用这两个 IP 地址，但 ARP 数据包中的 IP 地址字段并不是字对齐的，不能直接使用 SMEMCPY(&sipaddr, &hdr>sipaddr, sizeof(sipaddr)); //拷贝发送方 IP 地址到 sipaddr 中 SMEMCPY(&dipaddr, &hdr>dipaddr, sizeof(dipaddr)); //拷贝接收方 IP 地址到 dipaddr 中 //下面判断这个 ARP 包是否是发送给我们的 if (netif>ip_addr.addr == 0)
{ //如果网卡 IP 地址未配置 for_us = 0; //那么肯定不是给我们的，设置标志 for_us 为 0 } else
{ //如果网卡 IP 地址已经设置，则将目的 IP 地址与网卡 IP 地址比较 for_us = ip_addr_cmp(&dipaddr, &(netif>ip_addr)); //若相等，for_us 被置为 1 } //下面我们开始更新 ARP 缓存表 if (for_us)
{ //如果这个 ARP 包（请求或响应）是给我们的，则更新 ARP 表 update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr>shwaddr), ETHARP_TRY_HARD); } else
{//若不是给我们的，也更新 ARP 表，但是不设置 ETHARP_TRY_HARD 标志 update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr>shwaddr), 0); } //到这里，ARP 更新完毕，需要对 ARP 请求做出处理 switch (htons(hdr>opcode))
{ //判断 ARP 数据包的 op 字段 case ARP_REQUEST: //如果是 ARP 请求 if (for_us)
{ //且请求中的 IP 地址与本机的匹配，则需要返回 ARP 应答 //ARP 应答的返回很简单，不需要再重新申请一个 ARP 数据包空间， //而是直接将该 ARP 请求包中的相应字段进行改写，构造一个应答包 hdr>opcode = htons(ARP_REPLY); //将 op 字段改为 ARP 响应类型 hdr>dipaddr = hdr>sipaddr; //设置接收端 IP 地址 //设置发送端 IP 地址为网络接口中的 IP 地址 SMEMCPY(&hdr>sipaddr, &netif>ip_addr, sizeof(hdr>sipaddr)); //接下来，设置四个 MAC 地址字段 i = ETHARP_HWADDR_LEN; while(i > 0)
{ //目标 MAC 地址可以直接从原来的 ARP 包中得到 i--; //源 MAC 地址我们已经通过参数 ethaddr 传入 hdr>dhwaddr.addr[i] = hdr>shwaddr.addr[i];//设置 ARP 包的接收端 MAC 地址 ethhdr>dest.addr[i] = hdr>shwaddr.addr[i]; //以太网帧中的目标 MAC 地址 hdr>shwaddr.addr[i] = ethaddr>addr[i]; // ARP 头部的发送端 MAC 地址 ethhdr>src.addr[i] = ethaddr>addr[i]; //以太网帧头部的源 MAC 地址 } //对于 ARP 包中的其他字段的值（硬件类型、协议类型、长度字段等） //保持它们的值不变，因为在前面已经测试过了它们的有效性 netif>linkoutput(netif, p); //直接发送 ARP 应答包 } else if (netif>ip_addr.addr == 0)
{//ARP 请求数据包不是给我们的， 不做任何处理 } //这里只打印一些调试信息，笔者已将它们去掉 else
{ } break; case ARP_REPLY: //如果是 ARP 应答，我们已经在最开始更新了 ARP 表 break; //这里神马都不用做了 default: break; }// switch pbuf_free(p); //删除数据包 p } ————————————————————————————————————
3、ARP攻击
4、ARP缓存表更新
四、ARP层数据包输出
1、ARP层数据处理总流程
2、广播包与多播包的发送
etharp_output 函数被 IP 层的数据包发送函数 ip_output 调用，它首先根据目的 IP地址的类型为数据包选择不同的处理方式：当目的 IP 地址为广播或者多播地址时，etharp_output可以直接根据这个目的地址构造出相应的特殊 MAC 地址，同时把 MAC 地址作为参数，和数据包一起交给 etharp_send_ip 发送；当目的 IP 地址为单播地址时，需要调用 etharp_query 函数在 ARP表中查找与目的 IP 地址对应的 MAC 地址，若找到，则函数 etharp_send_ip 被调用，以发送数据包；若找不到，则函数 etharp_request 被调用它会发送一个关于目的 IP 地址的 ARP 请求包，出现这种情况时，我们还需要将 IP 包挂接的相应表项的缓冲队列中，直到对应的ARP 应答返回时，该数据包才会被发送出去。
————etharp.c—————————————— //函数功能：发送一个 IP 数据包 pbuf 到目的地址 ipaddr 处，该函数被 IP 层调用 //参数 netif：指向发送数据包的网络接口结构 //参数 q：指向 IP 数据包 pbuf 的指针 //参数 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) {//调整 pbuf 的 payload 指针，使其指向 return ERR_BUF; //以太网帧头部，失败则返回 } dest = NULL; if (ip_addr_isbroadcast(ipaddr, netif))
{//如果是广播 IP 地址 dest = (struct eth_addr *)ðbroadcast; //dest 指向广播 MAC 地址 } else if (ip_addr_ismulticast(ipaddr))
{//如果是多播 IP 地址 mcastaddr.addr[0] = 0x01; //则构造多播 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 { //如果为单播 IP 地址 //判断目的 IP 地址是否为本地的子网上，若不在，则修改 ipaddr if (!ip_addr_netcmp(ipaddr, &(netif>ip_addr), &(netif>netmask)))
{ if (netif>gw.addr != 0)
{ //需要将数据包发送到网关处，由网关转发 ipaddr = &(netif>gw); //更改变量 ipaddr，数据包发往网关处 } else
{ //如果网关未配置，返回错误 return ERR_RTE; } } //对于单播包，调用 etharp_query 查询其 MAC 地址并发送数据包 return etharp_query(netif, ipaddr, q); } //对于多播和广播包，由于得到了它们的目的 MAC 地址，所以可以直接发送 return etharp_send_ip(netif, q, (struct eth_addr*)(netif>hwaddr), dest); } ————————————————————————————————
广播包：调用函数 ip_addr_isbroadcast 判断目的 IP 地址是否为广播地址，如果是广播包，则目的 MAC 地址不需要查询 arp 表，由于广播 MAC 地址的 48 位均为 1，即目的 MAC 六个字节值为ffffffffffff。
多播包：判断目的 IP 地址是不是 D 类 IP 地址，如果是，则 MAC 地址可以直接计算得出，即将 MAC 地址 01005E000000 的低 23 位设置为 IP 地址的低 23 位。对于以上的两种数据包，etharp_output 直接调用函数 etharp_send_ip 将数据包发送出去。
单播包：要比较目的 IP 和本地 IP 地址，看是否是局域网内的，若不是局域网内的，则将目的IP 地址设置为默认网关的地址，然后再统一调用 etharp_query 函数查找目的 MAC 地址，最后将数据包发送出去。
————etharp_send_ip———————————————————— //函数功能：填写以太网帧头部，发送以太网帧 //参数 p：指向以太网帧的 pbuf //参数 src：指向源 MAC 地址 //参数 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; //指向以太网帧头部 u8_t k; k = ETHARP_HWADDR_LEN; while(k > 0)
{ k--; ethhdr>dest.addr[k] = dst>addr[k]; //填写目的 MAC 字段 ethhdr>src.addr[k] = src>addr[k]; //填写源 MAC 字段 } ethhdr>type = htons(ETHTYPE_IP); //填写帧类型字段 return netif>linkoutput(netif, p); //调用网卡数据包发送函数 } ————————————————————————————————————
这个函数尤其简单，直接根据传入的参数填写以太网帧首部的三个字段，然后调用注册的底层数据包发送函数将数据包发送出去。
3、单播包的发送
如果给定的 IP 地址不在 ARP 表中，则一个新的 ARP 表项会被创建，此时该表项处于 pending 状态，同时一个关于该 IP 地址的 ARP 请求会被广播出去，再同时要发送的 IP 数据包会被挂接在该表项的数据缓冲指针上；如果 IP 地址在 ARP 表中有相应的表项存在，但该表项处于pending 状态，则操作与前者相同，即发送一个 ARP 请求和挂接数据包；如果 IP 地址在 ARP 表中有相应的表项存在，且表项处于 stable 状态，此时再来判断给定的数据包是否为空，不为空则直接将该数据包发送出去，为空则向该 IP 地址发送一个 ARP 请求。
//函数功能：查找单播 IP 地址对应的 MAC 地址，并发送数据包 //参数 ipaddr：指向目的 IP 地址 //参数 q：指向以太网数据帧的 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; //调用函数 find_entry 查找或创建一个 ARP 表项 i = find_entry(ipaddr, ETHARP_TRY_HARD); if (i < 0) { //若查找失败，则 i 小于 0，直接返回 return (err_t)i; } //如果表项的状态为 empty，说明表项是刚创建的，且其中已经记录了 IP 地址 if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY) { //将表项的状态改为 pending arp_table[i].state = ETHARP_STATE_PENDING; } if ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) || (q == NULL)) {//数据包为空，或 result = etharp_request(netif, ipaddr); //表项为 pending 态，则发送 ARP 请求包 } if (q != NULL) {//数据包不为空，则进行数据包的发送或者将数据包挂接在缓冲队列上 if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE) {//ARP 表稳定，则直接发送数据包 result = etharp_send_ip(netif, q, srcaddr, &(arp_table[i].ethaddr)); } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) {//否则，挂接数据包 struct pbuf *p; int copy_needed = 0;//是否需要重新拷贝整个数据包，数据包全由 PBUF_ROM p = q; //类型的 pbuf 组成时，才不需要拷贝 while (p) { //判断是否需要拷贝整个数据包 if(p->type != PBUF_ROM) { copy_needed = 1; break; } p = p->next; } if(copy_needed) { //如果需要拷贝，则申请内存堆空间 p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, p->tot_len, PBUF_RAM);//申请一个 pbuf 空间 if(p != NULL) {申请成功，则执行拷贝操作 if (pbuf_copy(p, q) != ERR_OK) {//拷贝失败，则释放申请的空间 pbuf_free(p); p = NULL; } } } else { //如果不需要拷贝 p = q; //设置 p pbuf_ref(p); //增加 pbuf 的 ref 值 } //到这里，p 指向了我们需要挂接的数据包，下面执行挂接操作 if (p != NULL) { struct etharp_q_entry *new_entry; //为数据包申请一个 etharp_q_entry 结构 new_entry = memp_malloc(MEMP_ARP_QUEUE); //在内存池 POOL 中 if (new_entry != NULL) { //申请成功，则进行挂接操作 new_entry->next = 0; //设置 etharp_q_entry 结构的指针 new_entry->p = p; if(arp_table[i].q != NULL) { //若缓冲队列不为空 struct etharp_q_entry *r; r = arp_table[i].q; while (r->next != NULL) {//则找到最后一个缓冲包结构 r = r->next; } r->next = new_entry; //将新的数据包挂接在队列尾部 } else { //缓冲队列为空 arp_table[i].q = new_entry; //直接挂接在缓冲队列首部 } result = ERR_OK; } else { //etharp_q_entry 结构申请失败，则 pbuf_free(p); //释放数据包空间 } // if (p != NULL) }//else if }// if (q != NULL) return result; //返回函数操作结果 }
