【转载】uIP之ARP：地址解析协议

eric2013

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虽然数据链路层的第一道关卡是MAC地址，但基于TCP/IP的网络主要使用IP地址来标识主机而不使用MAC地址。比如要连接到别人的电脑或拷贝共享文件，一般会说：“告诉我你电脑的IP”，而不是“告诉我你电脑的MAC”。从以太网帧结构知道，不知道对方网卡的MAC地址是无法正常通讯的，那主机是怎样从IP地址上自动获取到MAC地址呢？这就是这章要讲的“地址解析协议”，以下简称其英文缩写“ARP”。
4．1 ARP工作原理
从对方的IP地址获取MAC地址最简单的方法是静态映射，即手工建立IP地址和MAC地址的映射表。这种方法必须预先知道每个IP对应的网卡的MAC地址，并写到程序里，发送数据时先搜索这张表，找到IP地址对应的MAC地址。静态映射表内容如下：
表 4－1 静态映射表

IP地址	MAC地址
192.168.1.15	00-0B-6A-8E-3F-C2
192.168.6.82	00-1C-35-27-59-A8

静态映射表有一定的局限性，如：一台电脑换过网卡后，查找得出的MAC地址就不正确，会导致通讯不上；当对方电脑的IP地址改变后，虽然MAC地址没有变，但映射关系变了，静态映射表也必须手工改变。这样，维护一张静态映射表就很费劲。
为了避免手工维护映射表，设计人员使用ARP协议来实现地址的映射，由主机自己智能地维护一张动态映射表。具体是怎样实现地呢？通过图4－1可以形象的说明。假如MCU主机需要与IP为192.168.1.15的主机建立连接，但不知道其MAC地址，于是先在整个网络广播，查询内“192.168.1.15“对应的MAC地址，由于是广播（目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一网络上的所有主机都收到了这个请求。但只有电脑A应答，因为它的IP就是192.168.1.15。MCU收到电脑A的应答后，将IP和MAC地址存放在动态映射表中，下次连接的时候就能直接查找动态表。
当然，动态映射表中，IP和MAC的映射关系并不是一成不变的，ARP还启动一个定时器，当映射关系存在一定的时间（如1分钟）后，会被清除掉，下次发送数据时还是需要通过ARP请求获取它们的对应关系。这个过程称为ARP表老化。

图4－1 ARP 工作原理
4．2 ARP分组结构
ARP分组是封装在以太网帧中的数据段中，当以太网帧首部的TYPE段为0806H时，表示后边的数据是ARP分组。如图4－2。

图4－2 ARP 分组的封装
ARP分组的具体结构如图4－3。
0 8 16 24 31

硬件类型	协议类型
硬件长度	协议长度	操作
发送方MAC地址（6字节中的0－3字节）
发送方MAC地址（4－5字节）	发送方IP地址（0-1字节）
发送方IP地址（2－3字节）	接收方MAC地址（0－1字节）
接收方MAC地址（2－5字节）
接收方IP地址（0－3字节）

图4－3 ARP 分组的格式
硬件类型：16位，定义运行ARP的物理网络。对以太网来说固定为0001H。还有0002H为实验以太网，0003H为业余无线电，0004H为令牌网等等。
协议类型：16位，定义发送方提供的高层协议类型。对IPV4来说，固定为0800H。
硬件长度：8位，定义物理地址（MAC地址）的长度，以字节为单位，对以太网来说，固定为06H。
协议长度：8位，定义逻辑地址（IP地址）的长度，以字节为单位，对应以太网的IPV4，长度固定为04H。
操作：16位，定义ARP分组是请求还是应答。请求则为01H，应答为02H。
发送方/接收方MAC地址：48位（针对以太网）。
发送方/接收方IP地址：32位（针对以太网）。
了解ARP的分组的格式后，就可以将图4－1 中ARP的工作原理用具体数据来表示，如图4－4。

图4－4 ARP 分组的图例
4．2 ARP的实现
uIP协议栈实现ARP的文件是Uip_arp.c，包含uip_arp_init（），uip_arp_timer（），uip_arp_update（），uip_arp_arpin（），uip_arp_out（）5个函数。
4.2.1 ARP初始化
根据ARP分组的格式，uip头部结构定义如下，为了便于管理，它包含了以太网帧的头部uip_eth_hdr。
struct arp_hdr
{
struct uip_eth_hdr ethhdr; /*以太网首部，14字节*/
u16_t hwtype; /*硬件类型，0x0001*/
u16_t protocol; /*协议类型，0x0800*/
u8_t hwlen; /*硬件长度，0x06*/
u8_t protolen; /*协议长度，0x04*/
u16_t opcode; /*操作码,ARP请求：0x1；ARP应答：0x2*/
struct uip_eth_addr shwaddr; /*发送方MAC地址*/
u16_t sipaddr[2]; /*发送方IP地址*/
struct uip_eth_addr dhwaddr; /*接收方MAC地址*/
u16_t dipaddr[2]; /*接收方IP地址*/
};
前面说过，ARP协议的目的就是主机自动维护一张动态映射表，uIP对动态映射表的结构定义如下：
struct arp_entry
{
u16_t ipaddr[2]; /*IP地址*/
struct uip_eth_addr ethaddr; /*MAC地址*/
u8_t time; /*IP-MAC映射生成时间*/
};
表 4－2 uip的ARP动态映射表

IP地址	MAC地址	映射生成时间
192.168.1.15	00-0B-6A-8E-3F-C2	13

可以看到，它比静态映射表多了一项time，主要用来老化ARP表，存放的是一个时间计数arptime，这个计数默认是每10秒加1，写映射关系的时候取当前的arptime值存入time项。ARP动态映射表定义成一个全局变量arp_table ，在单片机的网路设计中，定义如下：static struct arp_entry xdata arp_table[UIP_ARPTAB_SIZE]，其最多保存的映射关系是UIP_ARPTAB_SIZE个，默认值是8，可修改。
ARP的初始化函数uip_arp_init（）就是将动态映射表arp_table里的IP地址项全部清零。使用的语句是：memset(arp_table.ipaddr, 0, 4);
4.2.2 ARP分组的处理
当收到的以太网帧的类型是0x0806时，调用void uip_arp_arpin(void)函数对收到的ARP分组进行处理。其实现流程图见图4－5。其中的更新动态映射表的功能由函数uip_arp_update（）完成，流程图见4－6。

图4－5 ARP分组的处理流程图

图4－5 ARP更新动态映射表流程图
4.2.2 ARP动态映射表的老化
函数void uip_arp_timer(void)执行动态映射表的老化功能，这个函数每10秒被调用一次，进入该函数时，时间计数arptime加1，同时与动态映射表里的time项比较，当发现arptime - tabptr->time >= 120时，将该项的IP清零。也就是说，动态映射表里的映射关系在连续20分钟内没有刷新的话将失效。
4.2.2 ARP请求的自动发送
前面的介绍可以知道，本机IP层的发送函数只知道对方IP地址，而不知道对方的MAC地址，按分层的概念，它填充完IP头部的信息后就交给以太网帧处理。以太网帧的头部需要填充目的MAC地址，源MAC地址，类型。其中源MAC地址是本机MAC，类型是IP 0x0800，均已知。目的MAC呢？首先要查动态映射表，找到接收方IP对应的MAC地址填充。若此时动态映射表中没有映射关系，就必须按ARP请求的格式构造一个ARP请求分组发送给本地网路上的所有网络设备，获取到IP对应的MAC地址后才能正常发送。这些功能由void uip_arp_out(void)函数完成。