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一．前言

TCP/IP通訊第一步需要先調(diào)通ARP，否則TCP/IP包都不知道MAC地址要發(fā)給誰(shuí)。這一篇來(lái)基于LWIP的ARP實(shí)現(xiàn)進(jìn)行相關(guān)的分析。

二．ARP協(xié)議回顧

ARP協(xié)議可以參考rfc826

幀格式如下:

硬件類(lèi)型~目的端協(xié)議地址部分才是ARP協(xié)議部分，其他的為MAC幀頭尾。

總共42字節(jié)，注意要+18字節(jié)的填充

這樣包括后面4字節(jié)的CRC，才滿(mǎn)足42+18+4=64字節(jié)的最小幀長(zhǎng)要求。

以太網(wǎng)幀是通過(guò)MAC地址來(lái)定位發(fā)送者和接收者的，但是TCP/IP協(xié)議則是通過(guò)IP地址來(lái)定位的。協(xié)議層的地址和MAC幀的地址需要一個(gè)映射表，這樣底層才知道對(duì)應(yīng)的協(xié)議地址需要綁定哪個(gè)MAC地址，最終鏈路層看的是MAC地址。

其實(shí)ARP協(xié)議不僅僅是用于IP和MAC地址的解析，實(shí)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(xié)議的工作過(guò)程簡(jiǎn)單描述就是，

發(fā)送端開(kāi)始知道IP但是不知道對(duì)應(yīng)的MAC地址，所以先發(fā)廣播包問(wèn)，問(wèn)該IP的MAC地址是多少，同時(shí)附帶了字節(jié)IP和MAC地址，

接收端接收到這個(gè)廣播包就可以從中解析發(fā)送端的IP和MAC地址，添加到自己的ARP表格中。如果某個(gè)主機(jī)發(fā)現(xiàn)詢(xún)問(wèn)的是自己的MAC地址(IP匹配)，則會(huì)響應(yīng)自己的IP和MAC地址。

發(fā)送端接收到響應(yīng)之后，就知道IP地址和MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，存到ARP表中，就可以發(fā)IP包了。

三. LWIP的ARP處理

ARP需要使能宏LWIP_ARP

ARP的處理依賴(lài)于定時(shí)器，定時(shí)器前面有分析。

定時(shí)器回調(diào)函數(shù)是etharp_tmr

周期為1S

#define ARP_TMR_INTERVAL 1000

相關(guān)代碼位于

etharp.c/h

ARP表

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表大小ARP_TABLE_SIZE可配置，默認(rèn)是10，可配置可存的ARP條目數(shù)。

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(dāng)前還不知道IP對(duì)應(yīng)的MAC地址，可以先暫時(shí)掛起待發(fā)送的包，按照隊(duì)列掛起，如果未配置則只能掛起一個(gè)待發(fā)送的包。

ctime維護(hù)一個(gè)軟定時(shí)器，arp定時(shí)器回調(diào)時(shí)增加1，增加到一定值釋放表項(xiàng)。

在有ARP包IP包更新表項(xiàng)時(shí)清零。

Ipaddr ethaddr對(duì)應(yīng)IP和MAC地址

State維護(hù)一個(gè)狀態(tài)機(jī)

Netif對(duì)應(yīng)的接口

釋放表項(xiàng)****etharp_free_entry

設(shè)置表項(xiàng)狀態(tài)為EMPTY即可，注意如果有掛起的包也需要釋放。

查找表項(xiàng)etharp_find_entry

查找已有的表項(xiàng)，或者沒(méi)有則找一個(gè)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(xiàng)騰出位置。

更新表項(xiàng)etharp_update_arp_entry

調(diào)用etharp_update_arp_entry查找表項(xiàng)，

如果有表項(xiàng)有掛起數(shù)據(jù)包則發(fā)送該掛起的IP包ethernet_output

靜態(tài)添加表項(xiàng)etharp_add_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

調(diào)用etharp_update_arp_entry手動(dòng)添加表項(xiàng)

靜態(tài)釋放表項(xiàng)etharp_remove_static_entry

需要配置宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES

調(diào)用etharp_find_entry查找表項(xiàng)再釋放

清除所有表項(xiàng)etharp_cleanup_netif

遍歷清除etharp_free_entry

查找地址etharp_find_addr

調(diào)用etharp_find_entry，根據(jù)IP地址查找MAC地址

根據(jù)索引查找地址****etharp_get_entry

直接根據(jù)ARP表索引返回對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)信息

超時(shí)處理

對(duì)于A(yíng)RP表項(xiàng)，需要有一個(gè)有效時(shí)間，如果長(zhǎng)時(shí)間未有對(duì)應(yīng)的ARP包或者IP包則需要釋放表項(xiàng)。

etharp_tmr

定時(shí)器前面已經(jīng)介紹過(guò)，etharp_tmr會(huì)以默認(rèn)1S的間隔調(diào)用。

遍歷所有表項(xiàng)

如果某個(gè)表項(xiàng)超過(guò)ARP_MAXAGE(默認(rèn)300S)沒(méi)有更新時(shí),就會(huì)釋放。

定時(shí)器是在etharp_find_entry，etharp_query, etharp_update_arp_entry時(shí)清零的，也就是說(shuō)超過(guò)300S沒(méi)收收到對(duì)應(yīng)的地址的IP包和ARP包就認(rèn)為超時(shí)需要釋放。

如果表項(xiàng)處于ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)且超過(guò)ARP_MAXAGE(默認(rèn)是5)時(shí)也要釋放表項(xiàng)。即比如一開(kāi)始給某個(gè)IP發(fā)包，但是MAC地址不知道，于是發(fā)了ARP請(qǐng)求包，但是此時(shí)還沒(méi)有收到響應(yīng)，所以設(shè)置ARP表項(xiàng)為ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)，同時(shí)掛起待發(fā)送的包，等收到ARP響應(yīng)了再發(fā)這個(gè)掛起的包。掛起的超時(shí)時(shí)間就是ARP_MAXAGE，實(shí)際值要根據(jù)etharp_tmr間隔來(lái)，間隔是1S則實(shí)際是1x2x5=10S。

這里x2是因?yàn)椤?/p>

如果處于ETHARP_STATE_PENDING狀態(tài)則發(fā)送，ARP請(qǐng)求etharp_request，直到ARP_MAXAGE超時(shí)釋放表項(xiàng)。

如果是以下?tīng)顟B(tài)則間隔1S切換到下一狀態(tài)

ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1->ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2->ETHARP_STATE_STABLE

數(shù)據(jù)流

主動(dòng)廣播

手動(dòng)發(fā)請(qǐng)求etharp_gratuitous

即廣播問(wèn)IP地址是本機(jī)的MAC地址是多少，

為什么這里問(wèn)的是自己的IP不是別人的呢？因?yàn)檫@是自己的IP或者狀態(tài)變了，實(shí)際是廣播一下告訴別人。

修改IP，LINK UP時(shí)會(huì)手動(dòng)發(fā)一次請(qǐng)求，比如如下接口調(diào)用時(shí)

netif_do_set_ipaddr

netif_set_up

netif_set_link_up

ARP包輸入處理

etharp_input

根據(jù)收到的ARP包,不管是請(qǐng)求還是響應(yīng)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(qǐng)求哪怕不是發(fā)給自己的也可以知道網(wǎng)絡(luò)上有源IP地址和源MAC的設(shè)備，可以更新ARP表，下次如果要給這個(gè)IP發(fā)包就可以直接發(fā)，注意如果源IP地址不是單播地址也不處理。如是請(qǐng)求自己的ARP包就進(jìn)行響應(yīng)。

發(fā)包

etharp_output->

etharp_output_to_arp_index

在IP包上添加MAC地址，

相應(yīng)的接口直接查看源碼

etharp_query

etharp_raw

etharp_request_dst

etharp_request

ACD檢測(cè)

沖突地址檢測(cè)ACD

存在多個(gè)主機(jī)使用同一IP地址的問(wèn)題，在RFC5227中定義了ACD的概念，其中定義了兩種ARP報(bào)文：ARP Probe和ARP Announcement。ARP Probe用于探測(cè)當(dāng)前廣播域是否有其他主機(jī)使用某個(gè)IP地址，ARP Probe報(bào)文的發(fā)送者IP地址字段是全0，這是為了避免ARP污染（因?yàn)锳RP請(qǐng)求報(bào)文會(huì)在廣播域內(nèi)廣播到每個(gè)主機(jī)上，所以主機(jī)收到帶發(fā)送者IP地址的ARP報(bào)文后都會(huì)創(chuàng)建緩存表項(xiàng)，太多ARP報(bào)文會(huì)造成域內(nèi)主機(jī)上的緩存浪費(fèi)）。而前面代碼中可以看出對(duì)于發(fā)送端即源IP地址為0的并不會(huì)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(bào)文用于通告域內(nèi)主機(jī)自己的IP地址和MAC地址，特征是其目標(biāo)硬件地址字段全0，該報(bào)文不希望某個(gè)特定的主機(jī)回應(yīng)，只需要域內(nèi)主機(jī)創(chuàng)建起ARP表項(xiàng)即可。

也是對(duì)應(yīng)上述代碼的處理。

需要使能宏LWIP_ACD

對(duì)應(yīng)兩個(gè)接口

etharp_acd_probe

etharp_acd_announce

其他代碼位于acd.c中

四.調(diào)試

#define ETHARP_DEBUG LWIP_DBG_ON 使能調(diào)試打印

ping一下設(shè)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(jié)

主要了解ARP表項(xiàng)的更新，以及超時(shí)處理。

審核編輯：湯梓紅