LWIP学习记录------ARP协议（1）

2023-02-26 12:54:19 来源：博客园

关于LWIP网络协议在嵌入式设备使用越来越广泛，还是要好好学习一下，之前也看过一些资料，总是学了又忘（可能实践的太少了吧！！）。所以本文重新整理一下笔记。共同进步！

(资料图片)

(一)ARP基础知识

（1）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，来进行底层链路上数据包的通信工作。其中，ARP表的功能就是 记录IP地址与 MAC地址的对应关系的表格。

在以太网中，ARP数据包与IP数据包是两个独立的部分，他们都是封装在以太网中进行传送的。ARP数据包分为两类一个是ARP请求包，另一个是arp应答包。

所谓ARP请求包：就是它是通过广播的方式在以太网中进行传输，然后希望能得到目标主机的相应。已知IP地址，请求MAC地址。
显然，ARP应答包的功能，就是收到ARP请求包的主机，会解析请求包的IP地址与本机IP地址做比较，若符号，则返回一个APR应答包，包含了请求的IP地址与对应的MAC地址。这样，源主机就知道目标主机的MAC地址了，并把它加入到自己的ARP表中。

（2）ARP表的建立过程:

阶段一：当系统初始化时，ARP表为空。主机会广播自己的 ,这个数据包叫无汇报 ARP请求包。其他主机收到后，会把这个数据加入到自己的ARP表中。
阶段二：当主机要发送一个IP数据包时，要先检查自己的ARP表有没有目标主机的MAC地址？要有，好，直接发送。要没有，就要广播一个ARP请求包，然后其他主机接收后，若和自己匹配，则返回一个ARP应答包。源主机就得到了这个IP对应的MAC地址。 如果该表项的缓冲队列上有未发送的数据，相应的数据会被发送出去（后面结合代码详解）
阶段三：由于网络硬件状态可能随时改变，所以ARP还需要采用一定的定时机制来保证缓存表中地址的有效性。要有定时机制。

（二）lwip中关于ARP的数据结构

etharp.c/h 文件中实现了ARP协议的全部数据结构和函数定义。主要是ARP缓存表和ARP报文。

（1）ARP表

ARP表是由缓存表项（entry）组成。LWIP只描述缓存表项的数据结构叫做 etharp_entry 。单个缓存表项的结构如下：

struct etharp_entry {  struct etharp_q_entry *q;   //**数据包缓冲队列指针**；  struct pbuf *q;                 //  ip_addr_t ipaddr;               //目标IP地址  struct netif *netif;            //对应的网络接口信息  struct eth_addr ethaddr;        //目标MAC地址  u8_t state;                     //该entry 表项的状态  u8_t ctime;                     //该entry的时间信息};

第一个成员："*q" 指向缓存表项的数据包缓存队列。因为当主机发送一个IP数据包时候，发现缓存表中并没有对应的MAC地址，那该怎么办呢？于是在得到对应的MAC地址之前，主机会新建立一个缓存表项，然后把要发送的数据挂在这个缓存队列指针上。当接收到ARP应答包后，再发送出去。

struct etharp_q_entry结构是一个链表，包含一个*next 指针和一个指向pbuf 数据包的指针。系统为 etharp_q_entry 结构开辟了一些 MEMP_APR_QUEUE类型的内存池。

state有四种状态，分别为empty 状态、Pending状态、stable状态、stable状态且发送了一个ARP请求。
初始时，是以数组形式定义了10条ARP表项。这都是空的，没有记录任何信息。
```
enum etharp_state {  ETHARP_STATE_EMPTY = 0,        //empty状态  ETHARP_STATE_PENDING,  ETHARP_STATE_STABLE,  ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING};
```
- pending状态：不稳定状态，此时只是找到了IP地址，正在寻找MAC地址；
- stable状态：当Pending状态的表项接收到ARP应答后，就会变成stable稳定状态
- stabl_rerequesting状态：系统定时更新ARP表项，当时间到了之后，会向目标主机发送一个ARP请求，来验证表项的有效性，在验证期间就会变成 stable_rerequesting状态。

ctime 成员：用来计时，系统会删除到时的 ARP表项。内核每5秒一次调用eth_tmr（）函数，他会为每个 ARP表项的ctime 值加1，当改值大于系统规定的值时，就会产生相应的动作。

void etharp_tmr(void){  u8_t i;  for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i) {    u8_t state = arp_table[i].state;    if (state != ETHARP_STATE_EMPTY)  //表项不为空，说明被使用。    {      arp_table[i].ctime++;      if ((arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE) ||             //表项大于生存时间20分钟          ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING)  &&  //达到pending 最大时间10s           (arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING)))       {        etharp_free_entry(i);                          //删除表项      }      else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING)      {        /* Reset state to stable, so that the next transmitted packet will           re-send an ARP request. */        arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE;      }    }  }}

(2）ARP报文

1. 前面提到的ARP请求和应答是组装在一个ARP数据包中发送的。如下图所示是一个APR包的组成；

以太网目的地址（MAC）	以太网源地址(MAC)	帧类型	硬件协议	协议类型	硬件地址长度	协议地址长度	OP	发送方以太网地址	发送方IP	接收方以太网地址	接收方IP
6字节	6	2	2	2	1	1	2	6	4	6	4

前面 14个字节是以太网首部，后面28个字节是ARP数据包。

帧类型：对于ARP包是0X806,对于IP包是0X0800。
硬件协议：发送方想要知道的硬件接口类型，对于以太网是 1
协议类型：表示要映射的协议地址类型，为0X0800,代表映射为IP地址
操作字段op:表示数据包类型。ARP请求包为 1，ARP应答包为2.
后面字段含义较为明显，不再赘述。

以太网首部用结构eth_hdr表示

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} PACK_STRUCT_STRUCT;

（PACK_STRUCT_FIELD宏定义来禁止编译器自动对齐）

ARP数据包部分用结构etharp_hdr 表示：

struct etharp_hdr {  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype);  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto);  PACK_STRUCT_FIELD(u8_t  hwlen);  PACK_STRUCT_FIELD(u8_t  protolen);  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode);  PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr);  PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr);  PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr);  PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr);} PACK_STRUCT_STRUCT;

结合源码，来看看ARP请求包是怎么发送出去的。ARP请求包是调用etharp_requeset()实现。

etharp_request(struct netif *netif, ip_addr_t *ipaddr){  return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, ðbroadcast,                    (struct eth_addr *)netif->hwaddr, &netif->ip_addr, ðzero,                    ipaddr, ARP_REQUEST);}

好家伙，里面原来是调用是了etharp_raw（）。那我们看看etharp_raw（）具体实现。

重头戏来了！

/** * @param netif       the lwip network interface on which to send the ARP packet * @param ethsrc_addr the source MAC address for the ethernet header * @param ethdst_addr the destination MAC address for the ethernet header * @param hwsrc_addr the source MAC address for the ARP protocol header * @param ipsrc_addr the source IP address for the ARP protocol header * @param hwdst_addr the destination MAC address for the ARP protocol header * @param ipdst_addr the destination IP address for the ARP protocol header * @param opcode the type of the ARP packet * @return ERR_OK if the ARP packet has been sent *         ERR_MEM if the ARP packet couldn"t be allocated *         any other err_t on failure */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 ip_addr_t *ipsrc_addr,           const struct eth_addr *hwdst_addr, const ip_addr_t *ipdst_addr,           const u16_t opcode){  struct pbuf *p;  err_t result = ERR_OK;  struct eth_hdr *ethhdr;  //以太网帧首部结构体指针  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 */  p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, SIZEOF_ETHARP_PACKET, PBUF_RAM); //14+28个字节      /* 若分配失败，返回err */  if (p == NULL) {    return ERR_MEM;  }  ethhdr = (struct eth_hdr *)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数据包首部区域  hdr->opcode = htons(opcode);                //填写op字段。       下面是继续填写数据包中字段：         /* Write the ARP MAC-Addresses */  ETHADDR16_COPY(&hdr->shwaddr, hwsrc_addr);  ETHADDR16_COPY(&hdr->dhwaddr, hwdst_addr);      /* Write the Ethernet MAC-Addresses */    ETHADDR16_COPY(ðhdr->src, ethsrc_addr);  IPADDR2_COPY(&hdr->sipaddr, ipsrc_addr);  IPADDR2_COPY(&hdr->dipaddr, ipdst_addr);  hdr->hwtype = PP_HTONS(HWTYPE_ETHERNET);  hdr->proto = PP_HTONS(ETHTYPE_IP);  /* set hwlen and protolen */  hdr->hwlen = ETHARP_HWADDR_LEN;  hdr->protolen = sizeof(ip_addr_t);  ethhdr->type = PP_HTONS(ETHTYPE_ARP);  //以太网帧类型ARP包      /* 发送！！send ARP query */  result = netif->linkoutput(netif, p);  /* 释放！free ARP query packet */  pbuf_free(p);  p = NULL;  return result;}

到此为止，总结就是先分配内存，然后填充这个内存中各个字段的数据信息（保存在pbuf 中），然后再调用netif->linkoutput（）底层数据包发送函数，最后再释放掉pbuf。

关键词：数据结构基础知识协议类型