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一．前言

TCP/IP通訊第一步需要先調通ARP，否則TCP/IP包都不知道MAC地址要發給誰。這一篇來基于LWIP的ARP實現進行相關的分析。

二．ARP協議回顧

ARP協議可以參考rfc826

幀格式如下:

硬件類型~目的端協議地址部分才是ARP協議部分，其他的為MAC幀頭尾。

總共42字節，注意要+18字節的填充

這樣包括后面4字節的CRC，才滿足42+18+4=64字節的最小幀長要求。

以太網幀是通過MAC地址來定位發送者和接收者的，但是TCP/IP協議則是通過IP地址來定位的。協議層的地址和MAC幀的地址需要一個映射表，這樣底層才知道對應的協議地址需要綁定哪個MAC地址，最終鏈路層看的是MAC地址。

其實ARP協議不僅僅是用于IP和MAC地址的解析，實際它是通用的，可以用于不同地址空間的地址解析，地址的大小也可不同。

使用wireshark可以幫助解析

ARP協議的工作過程簡單描述就是，

發送端開始知道IP但是不知道對應的MAC地址，所以先發廣播包問，問該IP的MAC地址是多少，同時附帶了字節IP和MAC地址，

接收端接收到這個廣播包就可以從中解析發送端的IP和MAC地址，添加到自己的ARP表格中。如果某個主機發現詢問的是自己的MAC地址(IP匹配)，則會響應自己的IP和MAC地址。

發送端接收到響應之后，就知道IP地址和MAC地址的對應關系，存到ARP表中，就可以發IP包了。

三. LWIP的ARP處理

ARP需要使能宏LWIP_ARP

ARP的處理依賴于定時器，定時器前面有分析。

定時器回調函數是etharp_tmr

周期為1S

#define ARP_TMR_INTERVAL 1000

相關代碼位于

etharp.c/h

ARP表

數據結構

表大小ARP_TABLE_SIZE可配置，默認是10，可配置可存的ARP條目數。

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則表示如果當前還不知道IP對應的MAC地址，可以先暫時掛起待發送的包，按照隊列掛起，如果未配置則只能掛起一個待發送的包。

ctime維護一個軟定時器，arp定時器回調時增加1，增加到一定值釋放表項。

在有ARP包IP包更新表項時清零。

Ipaddr ethaddr對應IP和MAC地址

State維護一個狀態機

Netif對應的接口

釋放表項****etharp_free_entry

設置表項狀態為EMPTY即可，注意如果有掛起的包也需要釋放。

查找表項etharp_find_entry

查找已有的表項，或者沒有則找一個空閑的位置存新的信息。

如果找不到空閑位置則釋放最早的掛起的表項騰出位置。

更新表項etharp_update_arp_entry

調用etharp_update_arp_entry查找表項，

如果有表項有掛起數據包則發送該掛起的IP包ethernet_output

靜態添加表項etharp_add_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

調用etharp_update_arp_entry手動添加表項

靜態釋放表項etharp_remove_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

調用etharp_find_entry查找表項再釋放

清除所有表項etharp_cleanup_netif

遍歷清除etharp_free_entry

查找地址etharp_find_addr

調用etharp_find_entry，根據IP地址查找MAC地址

根據索引查找地址****etharp_get_entry

直接根據ARP表索引返回對應的表項信息

超時處理

對于ARP表項，需要有一個有效時間，如果長時間未有對應的ARP包或者IP包則需要釋放表項。

etharp_tmr

定時器前面已經介紹過，etharp_tmr會以默認1S的間隔調用。

遍歷所有表項

如果某個表項超過ARP_MAXAGE(默認300S)沒有更新時,就會釋放。

定時器是在etharp_find_entry，etharp_query, etharp_update_arp_entry時清零的，也就是說超過300S沒收收到對應的地址的IP包和ARP包就認為超時需要釋放。

如果表項處于ETHARP_STATE_PENDING狀態且超過ARP_MAXAGE(默認是5)時也要釋放表項。即比如一開始給某個IP發包，但是MAC地址不知道，于是發了ARP請求包，但是此時還沒有收到響應，所以設置ARP表項為ETHARP_STATE_PENDING狀態，同時掛起待發送的包，等收到ARP響應了再發這個掛起的包。掛起的超時時間就是ARP_MAXAGE，實際值要根據etharp_tmr間隔來，間隔是1S則實際是1x2x5=10S。

這里x2是因為。

如果處于ETHARP_STATE_PENDING狀態則發送，ARP請求etharp_request，直到ARP_MAXAGE超時釋放表項。

如果是以下狀態則間隔1S切換到下一狀態

ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1->ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2->ETHARP_STATE_STABLE

數據流

主動廣播

手動發請求etharp_gratuitous

即廣播問IP地址是本機的MAC地址是多少，

為什么這里問的是自己的IP不是別人的呢？因為這是自己的IP或者狀態變了，實際是廣播一下告訴別人。

修改IP，LINK UP時會手動發一次請求，比如如下接口調用時

netif_do_set_ipaddr

netif_set_up

netif_set_link_up

ARP包輸入處理

etharp_input

根據收到的ARP包,不管是請求還是響應包，都可以從源IP地址和源MAC地址獲取信息，更新ARP表。比如ARP廣播請求哪怕不是發給自己的也可以知道網絡上有源IP地址和源MAC的設備，可以更新ARP表，下次如果要給這個IP發包就可以直接發，注意如果源IP地址不是單播地址也不處理。如是請求自己的ARP包就進行響應。

發包

etharp_output->

etharp_output_to_arp_index

在IP包上添加MAC地址，

相應的接口直接查看源碼

etharp_query

etharp_raw

etharp_request_dst

etharp_request

ACD檢測

沖突地址檢測ACD

存在多個主機使用同一IP地址的問題，在RFC5227中定義了ACD的概念，其中定義了兩種ARP報文：ARP Probe和ARP Announcement。ARP Probe用于探測當前廣播域是否有其他主機使用某個IP地址，ARP Probe報文的發送者IP地址字段是全0，這是為了避免ARP污染（因為ARP請求報文會在廣播域內廣播到每個主機上，所以主機收到帶發送者IP地址的ARP報文后都會創建緩存表項，太多ARP報文會造成域內主機上的緩存浪費）。而前面代碼中可以看出對于發送端即源IP地址為0的并不會更新到緩存。

即etharp_update_arp_entry的

如下處理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報文用于通告域內主機自己的IP地址和MAC地址，特征是其目標硬件地址字段全0，該報文不希望某個特定的主機回應，只需要域內主機創建起ARP表項即可。

也是對應上述代碼的處理。

需要使能宏LWIP_ACD

對應兩個接口

etharp_acd_probe

etharp_acd_announce

其他代碼位于acd.c中

四.調試

#define ETHARP_DEBUG LWIP_DBG_ON 使能調試打印

ping一下設備可以看到打印如下(這里的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

五.總結

主要了解ARP表項的更新，以及超時處理。

審核編輯：湯梓紅