LWIP协议栈：ARP协议

1. ARP协议简介

• ARP（Address Resolution Protocol），地址解析协议。ARP协议处于网络层，其主要功能就是通过目标设备的 IP 地址，查询目标设备的 MAC 地址，从而进行网络通信。

• 网络层中，源主机和目标主机依赖于IP地址进行通信。而链路层又有自己的寻址寻址机制（如，以太网依赖于MAC地址进行通信）。ARP的作用在于将IP地址转换为MAC地址，从而连接网络层与链路层，使得上层可以通过IP地址进行网络通信。

• ARP协议的基本运作过程如下：

2. ARP缓存表

2.1 ARP缓存表的定义 

每台主机或路由器在其内存中都存储着一个ARP缓存表，表中记录着了<IP 地址，MAC 地址>对，反映着目标主机的IP地址与MAC地址的映射关系。

LwIP协议栈中，使用一个 arp_table 数组描述 ARP 缓存表，数组的内容是表项的内容。

/*lwip/src/netif/etharp.c*/

enum etharp_state {
   ETHARP_STATE_EMPTY = 0,            //空状态，表示该表项为空
   ETHARP_STATE_PENDING,              //挂起状态，表示该表项还未收到目标主机的ARP应答
   ETHARP_STATE_STABLE,               //可用状态，表示该表项可用
   ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1,//过渡状态
   ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2 //过渡状态
 #if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
   , ETHARP_STATE_STATIC
 #endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
};

struct etharp_entry {
#if ARP_QUEUEING
   /* 指向此ARP表项上挂起的数据包队列*/
   struct etharp_q_entry *q;
 #else /* ARP_QUEUEING */
   /*指向此ARP表项上挂起的单个数据包 */
   struct pbuf *q;
 #endif /* ARP_QUEUEING */
   ip_addr_t ipaddr;       //目标主机的IP地址
   struct netif *netif;    //目标主机的网卡信息
   struct eth_addr ethaddr;//目标主机的MAC地址
   u8_t state;             //此表项的状态
   u8_t ctime;             //此表项的生存时间
 };

static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE]; //LWIP协议栈的ARP缓存表

• 表项的数据包指针q：指针q指向需要发送至该目标主机的数据包。struct etharp_q_entry *q指向一个数据包队列，struct pbuf *q指向单个数据包。
• 表项的生存时间ctime：每个表项都包含一个ctime变量，表示该表项的生存时间。当达到指定的生存时间，该表项会被删除。

2.2 缓存表的动态处理

ARP协议的核心就是对缓存表的动态处理。因为IP地址可能是动态的，所以ARP缓存表必须动态更新。

ARP协议中，通过发送ARP请求包、接收ARP应答包、ARP缓存表超时处理来实现缓存表的动态更新。

（1）发送ARP请求包

发送数据时，若不存在目标主机的表项，则新建一个表项，并发送ARP请求包；若存在目标主机的表项，对处于ETHARP_STATE_STABLE的表项，会再次发送ARP请求包，以确认目标主机依然在工作状态。详见4. ARP协议工作流程。

（2）接收ARP应答包

接收到ARP应答包时，将ARP应答包包含的<IP 地址，MAC 地址>对添加到缓存表。详见4. ARP协议工作流程。

（3）ARP缓存表超时处理

缓存表的超时处理。周期性（1S）调用 etharp_tmr()函数，动态更新缓存表项的生存时间，以及它的状态。

在ARP缓存表的动态更新过程中，其表现状态变化过程如下：

3. ARP报文

ARP协议的请求与应答同时通过ARP报文来实现的。ARP的报文将被封装在以太网帧中进行发送。

3.1 以太网帧结构

（1）MAC地址

MAC Address(Media Access Control Address)，亦称为 EHA（Ethernet Hardware Address）、硬件地址、物理地址（Physical Address）、链路地址。MAC的值被固化在网卡的ROM中，以唯一标识该网卡。MAC地址长度为 6字节，其前 3个字节（组 织唯一标志符）表示厂家的代码，后 3个字节（扩展标识符）由厂家自行分配。 目标 MAC地址可以分成三类，单播地址、多播地址和广播地址。

• 单播地址：即目标主机的MAC地址，发送数据至特定的目标主机。
• 多播地址：MAC的第一个字节的bit0为1，发送数据至多个目标主机。
• 广播地址：MAC地址为全1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，发送数据至同一子网内的所有主机。

（2）以太网帧结构 

在链路层中，数据被封装为以太网帧结构进行发送。以太网帧结构如下：

  前同步码：它的作用是实现物理层帧输入输出的同步，其值都是 10101010（0x55，大端模式）。

• 帧开始符：表示着以 太网帧的开始，其值都是 10101011（0xD5， 大端模式）。
• 目标MAC地址：接收设备的MAC地址。
• 源MAC地址：发送设备的MAC地址。
• 类型：表示网络协议的类型。一台给定的主机可以支持多种网络层协议，不同的应用采用不同的协议。因此，当以太网帧到达网卡中，网卡需要知道它应该将数据字段的内容传递给哪个网络层协议。如 IP 协议、ARP协议等。 
• 数据：包含需要被发送的数据（如IP数据包、ARP数据包）。以太网的最大传输单元 （MTU）是1500字节，若数据包超过1500字节，则需要分片传输；若数据包小于46字节，则需要填充至46字节再发送。
• CRC：以太网的差错校验信息。 

P.S.:当“类型”字段的值小于 1518时，它表示后面数据字段的数据长度，当大于1518的时候才表示递交给哪个协议。 

3.2 ARP报文结构

（1）ARP报文格式如下：

• 硬件类型：目标网卡的硬件类型，表明ARP报文可以在哪种类型的网络上传输。1表示以太网地址。
• 协议类型：硬件地址要映射的协议地址类型。映射IP地址时的值为0x0800.
• 硬件地址长度：即MAC地址的长度（以太网的MAC地址长度为6）。
• 协议地址长度：即IP地址的长度。
• 操作类型：指定本次ARP报文的类型。1：ARP请求报文；0：ARP响应报文。
• 源MAC地址：发送设备的MAC地址。
• 源IP地址：发送设备的IP地址。
• 目标MAC地址：接收设备的MAC地址。在ARP请求报文中，目标MAC地址未知，MAC字段的值为全0（即00-00-00-00-00-00）。
• 目标IP地址：接收设备的IP地址。

（2）ARP帧格式：

ARP报文将被传输到链路层，加上以太网的帧头，形成ARP帧，再通过链路层发送出去。ARP帧的格式如下：

• 目标MAC地址：接收设备的MAC地址。在ARP请求报文中，它的目标为网络上的所有主机，目标MAC字段的值为FF-FF-FF-FF-FF-FF（广播地址）。
• 源MAC地址：发送设备的MAC地址。
• 帧类型：标识帧封装的上层协议。此处封装的为ARP协议，它的值为0x0806。

（3）帧格式的定义

/*lwip2.1.2/src/include/lwip/port/ethernet.h*/
#define ETH_HWADDR_LEN    6     //以太网地址长度

struct eth_addr    //以太网地址结构体
{    
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t addr[ETH_HWADDR_LEN]); 
} PACK_STRUCT_STRUCT;

struct eth_hdr    //以太网首部  9 
{
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr dest);  //以太网目标 MAC 地址
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr src);   //以太网源 MAC 地址 
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type);            //帧类型 
} PACK_STRUCT_STRUCT; 


/*lwip2.1.2/src/include/lwip/port/etharp.h*/
struct etharp_hdr               //ARP 报文
{
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype);    //硬件类型 
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto);     //协议类型
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t  hwlen);     //硬件地址长度 
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t  protolen);  //协议地址长度 
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode);    //op 字段 
    /* 以上是 ARP 报文首部 */ 
    
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr shwaddr);            //源 MAC 地址
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned sipaddr);//源 ip 地址
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr dhwaddr);            //目标 MAC 地址 
    PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned dipaddr);//目标 ip 地址 
} PACK_STRUCT_STRUCT;  

enum etharp_opcode    //op 字段操作 
{
    ARP_REQUEST = 1,     //请求包 33     
    ARP_REPLY   = 2      //应答包 34 
};

4. ARP协议工作流程

（1）数据包接收流程说明：

• 硬件网卡接收到数据之后，会调用ethernet_input()函数来处理接收到的数据包。ethernet_input()函数根据数据包中的以太网首部的帧类型进行分别处理；当帧类型为IP协议，则该数据包为IP数据包，调用ip4_input()函数进行处理；当帧类型为ARP协议，则该数据包为ARP数据包，调用 etharp_input()函数进行处理。
• etharp_input()函数对ARP数据包进行处理。首先调用 etharp_update_arp_entry()更新ARP缓存表。然后判断ARP数据包类型。如果是ARP请求包，且是发送给本机的，则调用 etharp_raw()函数发送ARP应答包；如果不是发送给本机的ARP请求包，则丢弃。
• etharp_update_arp_entry()对ARP缓存表进行更新。首先查找或创建ARP表项，设置新建表项的信息。然后检查改表项是否含有未发送的数据包，若存在，则调用ethernet_output()函数发送该表项上的数据。

（2） 数据包接收流程说明：

• 上层调用etharp_output()函数来发送IP数据包。对于广播、多播数据包，调用ethernet_output()函数直接发送数据包。对于单播数据包，若源主机与目标主机不在同一个子网，则修改IP地址为网关地址；然后遍历ARP缓存表，如果存在与目标IP地址对应的表项，且表项状态>=ETHARP_STATE_STABLE，则调用 etharp_output_to_arp_index()函数发送IP数据包；若不存在，则调用etharp_query()函数。
•  etharp_output_to_arp_index()函数用来发送IP数据包。（此时表项状态必须>=ETHARP_STATE_STABLE）首先，更新该表项信息，确认目标主机是否在工作状态。当表项还有15s到期，调用(etharp_request()函数以广播方式发送ARP数据包；当表项还有30秒到期，调用etharp_request_dst()函数以单播方式发送ARP请求包。若表项有效期大于30s，则调用ethernet_output()函数发送IP数据包。
• 当ARP表中没有与目标IP地址对应的表项，或表项的状态为ETHARP_STATE_PENDING，则etharp_query()函数被调用。etharp_query()函数首先调用 etharp_find_entry()函数查询或创建新的表项，当该表项为新建表项，或该表项的数据队列为空时，调用etharp_request()函数发送ARP请求。然后判断表项的状态，当表项状态>=ETHARP_STATE_STABLE，则调用ethernet_output函数发送数据包；当表项状态为ETHARP_STATE_PENDING，则将数据包插入该表项的数据包队列。

5. 参考资料

[1] 野火《LwIP应用开发实战指南》。