ARP协议实现原理

ARP是Address Resolution Protocol的缩写。中文译做“地址解析协议”，本质是完成网络地址到物理地址的映射。从概念上讲就是找到一个映射方法f，使得“物理地址 = f(网络地址)”。物理地址有两种基本类型：以太网类型和proNET令牌环网类型，网络地址特指IP地址，对映射方法的要求就是高效。具体到以太网，它使用的是动态绑定转换的方法。为什么不直接使用同一种地址，而要这么麻烦呢？因为TCP/IP网络就是为将不同种类计算机互联而发明的，它的体系结构是分层的，层和层之间相互独立，改变物理层的实现不会影响到网络层。
32位IP地址到以太网48位物理地址的映射，采用动态绑定转换的方法会遇到许多细节问题，例如：减少广播，ARP包丢失，物理地址变更(更换网卡)、移动(移动设备到另一子网)、消失(关机)等。一般是设置ARP高速缓存，通过学习、老化、更新、溢出算法处理ARP映射表来解决这些问题。其中，学习指ARP收到任何指向本节点IP地址的ARP/IP包，从中提取出地址对，而ARP缓存中无对应项时，由ARP接收部分添加；老化指为每项设置寿命域，以便代谢掉陈旧的地址映射项；更新指ARP提取到新的地址对时，用其更新缓存里已有的对应项；溢出算法指当缓存满时，采取何种方法替换旧有的地址对儿。
我找到了几个TCP/IP源代码，对比他们的实现，深感差别巨大，灵活多变。有的代码未实现ARP缓存，只用几个全局变量记录源目的IP地址和源目的MAC地址，每次通信前直接操作全局变量，这在使用51单片机，进行点对点通信时不失为一个有效的方案；而有的代码庞大复杂，细节处理精益求精。比如实现了ARP高速缓存、支持多址节点、支持网管查看/动态改变ARP相关参数、重发处理、支持IPv6等。我的看法是：ARP的本质是地址转换，只要抓住这个灵魂，设计的大方向就把握住了。具体实现过程各具特色，因人而异，没有统一要求，有些功能可以不实现，有些优点不能兼得，而唯一不变的只有思想。
我参考了几种已有的IP协议栈并结合51单片机的特点，实现了自己的基于uCOS51的TCP/IP协议栈方案。它只是一种具体的实现范例，不同的人有不同的设计方法。我保证自己的方案可以正常使用并具有较好的完备性。
------------------------------
|状态|寿命ttl|IP地址 |MAC地址| 学习
------------------------------
| 0 | FF |X:X:X:X| XXXX | <--- 老化
------------------------------
| 0 | FF |X:X:X:X| XXXX | 更新
------------------------------
图1 ARP缓存表 表满处理
如图1所示，ARP缓存表由状态、寿命、IP地址、MAC地址4个字段组成。状态字段指示地址对是否有效(0-空闲 1-占用)；寿命字段用于老化操作，初始存入最大值，以后由OS时间函数调用，每秒减1，直至为0清除；IP地址和MAC地址字段保存网络地址和物理地址的映射。此处，没有设计发送数据链表首指针和重发记数字段，我把重发操作交给上层软件统一处理，这是本程序的特色。围绕ARP缓存表，完成了4种操作：学习、老化、更新、表满处理，详见伪代码清单。使用OS的Shell命令ls可以查看ARP表的内容，但不支持修改，这个功能对测试很有用。(显示内容举例如图2所示)
%ls
ARP table:
status TTL IP address MAC address
=================================================
01 78 172.18.92.86 0050BABD4C7E
%
图2 ARP缓存表显示内容举例
表满处理
|
v ARP请求
--------- ----------- ---------->
| | 学习/更新 | | <- - - - -
老化--->| ARP表 |<------------| ARP处理 |
| | | | - - - - - >
--------- ----------- <----------
^ ARP应答
|学习/更新
---------
| |
| IP_in |
| |
---------
图3 ARP处理过程
0 8 16 24 31
---------------------------------------------------------------------
| 硬件类型 | 协议类型 |
---------------------------------------------------------------------
|硬件地址长度(HLEN)|协议长度(PLEN)| 操作 |
---------------------------------------------------------------------
| 发送方首部(八位组0-3) |
---------------------------------------------------------------------
| 发送方首部(八位组4-5) | 发送方IP地址(八位组0-1) |
---------------------------------------------------------------------
| 发送方IP地址(八位组2-3) | 目标首部(八位组0-1) |
---------------------------------------------------------------------
| 目标首部(八位组2-5) |
---------------------------------------------------------------------
| 目标IP地址(八位组0-3) |
---------------------------------------------------------------------
图4 ARP包结构
如图3，整个ARP处理过程，我主要用5个函数实现。ARP初始化(ARP_init)、ARP请求(ARP_request)、ARP应答(ARP_answer)、ARP回应处理(ARP_process)、IP包接收预处理(IP_in)。在实现网卡驱动程序后，所有ARP处理操作就是填写ARP包(ARP包结构见图4)，详见伪代码清单。
ARP_init完成ARP表初始化，概括说就是ARP表state字段清0。
ARP_request完成ARP请求操作。ARP协议要求程序根据子网掩码判断IP地址是否属于同一子网，如果在同一子网内，ARP请求目的MAC地址，否则请求默认网关MAC地址。
ARP_answer比较简单，只要交换ARP请求包地址内容，填写自己的MAC地址和很少的改动后发送即可。
ARP_process完成ARP回应回来的信息处理。主要进行ARP表的学习和更新。
IP_in完成IP包接收预处理，用于提取地址映射信息，以便主动学习和及时更新。我的程序不会主动学习不是发给自己IP地址的MAC地址信息，因为ARP表在51中的容量有限，只有频繁用到的地址对才应该存放在里面，否则一旦出现“颠簸”，ARP表就失效了。
有的ARP实现方案采用数据驱动方式，参数可配置，使用统一的程序，通过加载不同的配置数据，执行不同的操作。这样做使程序版本统一，不同的应用只要加载不同的配置数据即可，不用更换程序，有利于后期维护。但是考虑到51资源紧张和安全性，我的方案只能显示ARP表不允许修改其内容，用户可发挥想象力在此处增加新功能。另外，ARP程序应该记住上一次发过的请求，以避免重发，但同样考虑到资源紧张，也免了。其实无所谓，重发就重发了。表满处理采用有损性能的加速算法，快速有效。另外，本程序不能直接用于嵌入式网关产品。
uCOS51操作系统本身提供了良好的内存管理功能，我利用它设置了大中小三种缓冲区存放不同类型的数据包。内存使用前申请，使用后释放，有效利用了资源。
系统特点是：1.抢占式优先级；2.消息驱动；3.串行服务器模式。
系统优点是：1.等待时不耗费CPU资源；2.有超时保护，不会死锁；3.思路清晰易懂。
系统基于中断驱动，使用Int0做网卡中断输入口。ISR寄存器只用到4位：OVW 收溢出错/TXE 发被中断错/PTX 发送成功/PRX 接收成功。TCP/IP协议栈做成任务，脱离内核。整体框架如图5、6、7所示。主程序框架见伪代码清单(RxSem和TxSem初始化为0)
----------
|网卡中断|
----------
|
V
---------- |>
|发信号量| | 收完/收溢出错
|SemPost |---->-------------- RxSemPost
---------- |>
| | 发完/发被中断错
---------->-------------- TxSemPost
图5 网卡中断处理程序
进入
| ------
V | | 发
---------- | 低优先级
------> | 等待 |<---
| |TxQPend |<--------------------- -----
| ---------- | | |
| | TxQFIFO非空 | | |
| V | ---<---| |---<---
| ---------- | 数据源 | | 各任务发送来的数据
| | 发送包 | | | |
| ---------- | -----
| | | TxQFIFO
| V |
| --------------------- |
| | 释放内存 | |
| |(包已存入网卡RAM里)| |
| --------------------- |
| | ----- |
| V | | |
| ----------- | |
| | 等待 |<-- | (等效发送包被抛弃)
| |TxSemPend|<----------- |
| ----------- | |
| | 发完/超时 | |
| V | |
| Y ---------------- ----------- |
-<---| 发送成功吗？ | |重发第n次| |
|(无错且不超时)| | n---------------- ----------- |
| N /^\ |
V N | |
------------------>------ |
|已发了N次吗？|---------->--------
--------------- Y
图6 发送流程图
进入
| -----
V | | 收
----------- | 高优先级
------------------>| 等待 |<--
| --------->|RxSemPend|<---------------
| | ----------- /|\ /|\
| | | 收到包 或 | |
| | V 收错 或 | |
| | | 超时 | |
| | ----------- | ----------
| | |存并清ISR| | |复位网卡|
----------- | ----------- | ----------
|RxSemPost| | | | /^\ /^\
----------- | V | | |
| | -------------------- | | |
| | |超时且无新包且无错| Y| | |
| | | (防死锁) |->- | |
| | -------------------- | |
/|\ |(不执行 | N | |
| |RxSemPost) V | |
| | ------------ Y | |
| | | 收溢出错 |--->--------- |
| | | ISR之OVW | |
| Y | N ------------ |
------------------ | N |
|网卡中还有包吗？| V |
| CURR!=BNRY+1 | ------------------------ Y |
------------------ |读出包头，查有无逻辑错|--->-------
| ------------------------
/|\ | N
| V
| ------------------------
---------- |按包长度申请合适的大中|
|释放内存| |小号内存，并存入整个包|
---------- |，再调整BNRY |
/^\ /^\ ------------------------
| | |
| | V
| | N ----------------------------
| ---<---|是否是发给自己IP地址的包？|
| ----------------------------
| | Y
| V
| ------------
| | 包分发 |
| ------------
| |
| V
| ----------------------------
| | | | |
| V -------------------------- IP_in过滤
| | V V V
| ARP ICMP(Ping) UDP TCP
| | | | |
| ----------------------------
| | 串行处理
| | (32bitMCU可设计成并发模式)
|---------<-------------
图7 接收流程图
我仔细检查了几遍，似乎比较完备了，各种情况下均可以正常工作。在超负荷流量下，只会抛包，不会死机。当然，由于本人接触资料有限和个人局限性，肯定有错误和疏漏之处，希望大家提出意见和建议。
伪代码清单:
ARP_init() //ARP缓存初始化
{
for(i=0;iARPTable[i].status=0;
}

ARP_request(目的IP地址) //ARP请求
{
//判断IP地址是否属于同一子网的任务交给上层软件处理
//(由它决定请求网卡IP地址还是默认网关IP地址)，
//这有利于减少代码量。

//申请小号内存
pARP=OSMemGet();

//填以太网帧
以太网协议=0x0806;//ARP协议
目的MAC地址=0xffff;//广播地址
源MAC地址=自己的MAC地址;

//填ARP表
硬件类型=0x0001;
协议类型=0x0800;
硬件地址长度=0x06;
协议长度=0x04;
操作=0x0001;//请求
发送方首部=自己的MAC地址;
发送方IP地址=源IP地址;
目标首部=0x0000;
目标IP地址=目的IP地址;
//填充PAD
没有内容处填充0;

//发送ARP包至TxQFIFO缓存
OSQSend(QID,*pARP);
}

ARP_answer(*pARP) //ARP应答
{
学习/更新ARP缓存表;
//修改收到的ARP包，形成ARP应答
//填以太网帧
目的MAC地址=对方(网卡/网关)发来的源MAC地址;
源MAC地址=自己的MAC地址;

//填ARP表
目标首部=发送方首部;发送方首部=自己的MAC地址;
交换发送方IP地址和目标IP地址;
操作=0x0002;//ARP应答

//发送ARP包至TxQFIFO缓存
OSQSend(QID,*pARP);
}

ARP_process(*pARP) //ARP应答处理
{
//更新
for(i=0;iif(ARPTab[i].status==1){
if(ARPTab[i].IPAdr==收到的ARP应答包源IP地址){
ARPTab[i].ttl=最大寿命;
ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
return;
}
}
}
//学习
for(i=0;iif(ARPTab[i].status==0){
ARPTab[i].status=1;
ARPTab[i].ttl=最大寿命;
ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
return;
}
}

//表满处理，有损性能的快速算法
ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。
ARPTab[index].ttl=最大寿命;
index++;
if(index>=ARPTabSize) index=0;
}

IP_in(*pIP) //IP包过滤(ARP地址学习) 注：这里处理的是IP包，伪代码与上面程序相似，但源代码差别很大。
{
//更新
for(i=0;iif(ARPTab[i].status==1){
if(ARPTab[i].IPAdr==收到的IP包源IP地址){
ARPTab[i].ttl=最大寿命;
ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
return;
}
}
}
//学习
for(i=0;iif(ARPTab[i].status==0){
ARPTab[i].status=1;
ARPTab[i].ttl=最大寿命;
ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
return;
}
}

//表满处理，有损性能的快速算法
ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。
ARPTab[index].ttl=最大寿命;
index++;
if(index>=ARPTabSize) index=0;
}

timer() //软定时器任务，用于ARP老化
{
for(;;){
taskDelay(1秒);
for(i=0;iif(ARPTab[i].status==1){
if(ARPTab[i].ttl==0)
ARPTab[i].status=0;
else
ARPTab[i].ttl--;
}
}
}

主程序框架：
initNIC //初始化网卡
//创建资源
TxSem和RxSem信号量
TxQFIFO队列
大中小内存设立
//创建任务
收
发
。
。
。
参考文献：
1、《用TCP/IP进行网际互连》(第3版)第一、二、三卷 DOUGLAS E.COMER著 电子工业出版社