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一．前言

TCP/IP通讯第一步需要先调通ARP，否则TCP/IP包都不知道MAC地址要发给谁。这一篇来基于LWIP的ARP实现进行相关的分析。

二．ARP协议回顾

ARP协议可以参考rfc826

帧格式如下:

硬件类型~目的端协议地址部分才是ARP协议部分，其他的为MAC帧头尾。

总共42字节，注意要+18字节的填充

这样包括后面4字节的CRC，才满足42+18+4=64字节的最小帧长要求。

区域	目的MAC地址DA	源MAC地址SA	类型长度Type/len	硬件类型Hardware Type	协议类型Protocol Type
大小字节	6	6	2	2	2
值	请求时一般用FFFFFFFFFFFF广播,响应时用请求中解析出的对端的地址。	本机MAC地址	0x0806	Ethernet为0x0001	IP为0x0800
区域	硬件地址长度Hardware Addr Len	协议地址长度Prot Addr Len	操作码Opcode	发送端硬件地址Prot Addr Len	发送端协议地址Sender Protocol Address
大小字节	1	1	2	6	4
值	6	4	请求为1响应为2	发送端MAC地址	发送端IP地址
区域	目的端硬件地址Target Hardware Address	目的端协议地址Target Protocol Address	填充	CRC
大小字节	6	4	18	4
值	目的端MAC地址	目的端IP地址

以太网帧是通过MAC地址来定位发送者和接收者的，但是TCP/IP协议则是通过IP地址来定位的。协议层的地址和MAC帧的地址需要一个映射表，这样底层才知道对应的协议地址需要绑定哪个MAC地址，最终链路层看的是MAC地址。

其实ARP协议不仅仅是用于IP和MAC地址的解析，实际它是通用的，可以用于不同地址空间的地址解析，地址的大小也可不同。

使用wireshark可以帮助解析

ARP协议的工作过程简单描述就是，

发送端开始知道IP但是不知道对应的MAC地址，所以先发广播包问，问该IP的MAC地址是多少，同时附带了字节IP和MAC地址，

接收端接收到这个广播包就可以从中解析发送端的IP和MAC地址，添加到自己的ARP表格中。如果某个主机发现询问的是自己的MAC地址(IP匹配)，则会响应自己的IP和MAC地址。

发送端接收到响应之后，就知道IP地址和MAC地址的对应关系，存到ARP表中，就可以发IP包了。

三. LWIP的ARP处理

ARP需要使能宏LWIP_ARP

ARP的处理依赖于定时器，定时器前面有分析。

定时器回调函数是etharp_tmr

周期为1S

#define ARP_TMR_INTERVAL 1000

ARP表

数据结构

表大小ARP_TABLE_SIZE可配置，默认是10，可配置可存的ARP条目数。

struct etharp_entry {

#if ARP_QUEUEING

/** Pointer to queue of pending outgoing packets on this ARP entry. */

struct etharp_q_entry *q;

#else /* ARP_QUEUEING */

/** Pointer to a single pending outgoing packet on this ARP entry. */

struct pbuf *q;

#endif /* ARP_QUEUEING */

ip4_addr_t ipaddr;

struct netif *netif;

struct eth_addr ethaddr;

u16_t ctime;

u8_t state;

};

static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE];

其中使能ARP_QUEUEING则表示如果当前还不知道IP对应的MAC地址，可以先暂时挂起待发送的包，按照队列挂起，如果未配置则只能挂起一个待发送的包。

ctime维护一个软定时器，arp定时器回调时增加1，增加到一定值释放表项。

在有ARP包IP包更新表项时清零。

Ipaddr ethaddr对应IP和MAC地址

State维护一个状态机

Netif对应的接口

释放表项etharp_free_entry

设置表项状态为EMPTY即可，注意如果有挂起的包也需要释放。

查找表项etharp_find_entry

查找已有的表项，或者没有则找一个空闲的位置存新的信息。

如果找不到空闲位置则释放最早的挂起的表项腾出位置。

更新表项etharp_update_arp_entry

调用etharp_update_arp_entry查找表项，

如果有表项有挂起数据包则发送该挂起的IP包ethernet_output

静态添加表项etharp_add_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

调用etharp_update_arp_entry手动添加表项

静态释放表项etharp_remove_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

调用etharp_find_entry查找表项再释放

清除所有表项etharp_cleanup_netif

遍历清除etharp_free_entry

查找地址etharp_find_addr

调用etharp_find_entry，根据IP地址查找MAC地址

根据索引查找地址etharp_get_entry

直接根据ARP表索引返回对应的表项信息

超时处理

对于ARP表项，需要有一个有效时间，如果长时间未有对应的ARP包或者IP包则需要释放表项。

etharp_tmr

定时器前面已经介绍过，etharp_tmr会以默认1S的间隔调用。

遍历所有表项

如果某个表项超过ARP_MAXAGE(默认300S)没有更新时,就会释放。

定时器是在etharp_find_entry，etharp_query, etharp_update_arp_entry时清零的，也就是说超过300S没收收到对应的地址的IP包和ARP包就认为超时需要释放。

如果表项处于ETHARP_STATE_PENDING状态且超过ARP_MAXAGE(默认是5)时也要释放表项。即比如一开始给某个IP发包，但是MAC地址不知道，于是发了ARP请求包，但是此时还没有收到响应，所以设置ARP表项为ETHARP_STATE_PENDING状态，同时挂起待发送的包，等收到ARP响应了再发这个挂起的包。挂起的超时时间就是ARP_MAXAGE，实际值要根据etharp_tmr间隔来，间隔是1S则实际是1x2x5=10S。

这里x2是因为。

如果处于ETHARP_STATE_PENDING状态则发送，ARP请求etharp_request，直到ARP_MAXAGE超时释放表项。

如果是以下状态则间隔1S切换到下一状态

ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1->ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2->ETHARP_STATE_STABLE

数据流

主动广播

手动发请求etharp_gratuitous

即广播问IP地址是本机的MAC地址是多少，

为什么这里问的是自己的IP不是别人的呢？因为这是自己的IP或者状态变了，实际是广播一下告诉别人。

修改IP，LINK UP时会手动发一次请求，比如如下接口调用时

netif_do_set_ipaddr

netif_set_up

netif_set_link_up

ARP包输入处理

etharp_input

根据收到的ARP包,不管是请求还是响应包，都可以从源IP地址和源MAC地址获取信息，更新ARP表。比如ARP广播请求哪怕不是发给自己的也可以知道网络上有源IP地址和源MAC的设备，可以更新ARP表，下次如果要给这个IP发包就可以直接发，注意如果源IP地址不是单播地址也不处理。如是请求自己的ARP包就进行响应。

发包

etharp_output->

etharp_output_to_arp_index

在IP包上添加MAC地址，

相应的接口直接查看源码

etharp_query

etharp_raw

etharp_request_dst

etharp_request

ACD检测

冲突地址检测ACD

存在多个主机使用同一IP地址的问题，在RFC5227中定义了ACD的概念，其中定义了两种ARP报文：ARP Probe和ARP Announcement。ARP Probe用于探测当前广播域是否有其他主机使用某个IP地址，ARP Probe报文的发送者IP地址字段是全0，这是为了避免ARP污染（因为ARP请求报文会在广播域内广播到每个主机上，所以主机收到带发送者IP地址的ARP报文后都会创建缓存表项，太多ARP报文会造成域内主机上的缓存浪费）。而前面代码中可以看出对于发送端即源IP地址为0的并不会更新到缓存。

即etharp_update_arp_entry的

如下处理ip4_addr_isany(ipaddr)

/* non-unicast address? */


if (ip4_addr_isany(ipaddr) ||


    ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) ||


    ip4_addr_ismulticast(ipaddr)) {


  LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_update_arp_entry: will not add non-unicast IP address to ARP cachen"));


  return ERR_ARG;


}

ARP Announcement报文用于通告域内主机自己的IP地址和MAC地址，特征是其目标硬件地址字段全0，该报文不希望某个特定的主机回应，只需要域内主机创建起ARP表项即可。

也是对应上述代码的处理。

需要使能宏LWIP_ACD

对应两个接口

etharp_acd_probe

etharp_acd_announce

其他代码位于acd.c中

四.调试

#define ETHARP_DEBUG LWIP_DBG_ON 使能调试打印

ping一下设备可以看到打印如下(这里的printf不支持某些格式所以一些打印不正常)

可以借助wireshark抓包分析。

ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


etharp_find_entry: found empty entry 0


etharp_find_entry: selecting empty entry 0


etharp_request: sending ARP request.


etharp_raw: sending raw ARP packet.


ethernet_output: sending packet 0x28214a18


etharp_query: queued packet 0x28214ae8 on ARP entry %hu


ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


etharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx


etharp_find_entry: found matching entry 0


etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hd


ethernet_output: sending packet 0x28214ae8


etharp_input: incoming ARP reply


etharp_timer


ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


ethernet_output: sending packet 0x28214ae8


etharp_timer


etharp_timer


ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


ethernet_output: sending packet 0x28214ae8


etharp_timer


ct: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


ethernet_output: sending packet 0x28214ae8


etharp_timer


ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hx


etharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx


etharp_find_entry: found matching entry 0


etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hd


etharp_input: incoming ARP request


etharp_raw: sending raw ARP packet.


ethernet_output: sending packet 0x28214a18


etharp_timer


etharp_timer


etharp_timer


etharp_timer


etharp_timer


etharp_timer