Lwip ARP分析(1)

ARP全称是Address Resolution Protocol，地址解析协议。它是将32bit的IP地址解析成48bit的MAC地址。当一台机器向另外一台机器发生数据时，需要知道对端网卡的硬件地址(48 bit的MAC地址)，才能将数据在硬件之间进行交互。

ARP核心数据结构

ARP缓存表是保证ARP高效运行的关键，ARP缓存表是由一个个的缓存表项组成的。ARP表项的数据结构etharp_entry如下：

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_addrethaddr; 

    u16_t ctime; 

    u8_tstate; 

};  

ARP_QUEUEING在opt.h头文件中定义，它表示在进行MAC地址解析的时候有多个发送包需要缓存起来，它能够缩短TCP建链的时间。当ARP_QUEUEING设置为1，则用成员q指针指向的队列用来存储发送的数据包。当ARP_QUEUEING设置为0是，用pbuf类型的指针q来缓存一个发送数据包。

ipaddr成员用来存储32bit的IP地址。netif成员表示此网卡结构体指针。ethaddr成员用来存储48bit的MAC地址。

ARP缓存表中每个表项都是有生存周期的，当超过生存周期后，就会从ARP缓存表中删除。ctime成员就是用来记录此缓存表项加入此缓存表的时长。

state成员表示ARP表项的状态如下：

成员

说明

ETHARP_STATE_EMPTY

缓存表中各表项初始化时处于此状态，没有记录任何信息。

ETHARP_STATE_PENDING

当对于一个给定的IP地址发送ARP请求包时，会设置新增的缓存表项为此状态。

ETHARP_STATE_STABLE

当收到ARP应答，更新ARP表项后，设置表项为此状态。

ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1                       

在ARP缓存表中某个表项快到老化时间时发送一个ARP请求，并将此ARP表项从ETHARP_STATE_STABLE状态改为此状态。

ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2

 

ETHARP_STATE_STATIC

静态ARP表项。

Lwip代码定义了一个全局数组static struct etharp_entryarp_table[ARP_TABLE_SIZE]用来表示ARP缓存表，缓存表的表项个数为ARP_TABLE_SIZE，此宏在opt.h头文件中定义为10。

ARP数据包格式

ARP数据包结构由两部分组成：以太网首部+ARP数据包首部。

Lwip中以太网首部由eth_hdr结构体表示：

/** Ethernet header */   

struct eth_hdr {  

    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addrdest);                                                                                                      

    PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addrsrc); 

    PACK_STRUCT_FIELD(u16_ttype); 

} PACK_STRUCT_STRUCT; 

dest字段表示以太网目的地址，6字节长度；src字段表示以太网源地址，也是6字节长度。type字段表示对应帧类型：

值

含义

0x0800                         

IPV4协议，后面跟的是IPV4数据包

0x0806

ARP协议，后面跟的是ARP请求/应答数据包                                                                           

创建ARP缓存

Lwip中创建ARP缓存表项的代码在etharp_find_entry函数中实现，此函数声明如下：

static s8_t  

 etharp_find_entry(constip4_addr_t *ipaddr,u8_t flags,struct netif*netif)                                                                    

参数ipaddr：如果ipaddr不为NULL，则从ARP缓存表中查找一个与此IP地址匹配的ARP表项，如果找到有处于ETHARP_STATE_PENDING或者ETHARP_STATE_STABLE状态的IP匹配的表项，返回表项索引值；如果没有找到匹配的表项，则选择一个ETHARP_STATE_EMPTY的表项，并将此表项的IP地址设置为ipaddr。

参数flag有两种情况ETHARP_FLAG_TRY_HARD和ETHARP_FLAG_FIND_ONLY。这两种情况在后面分析代码时说明。

参数netif就是此IP地址对应的网卡。

etharp_find_entry函数代码主要分为三部分，第一部分是遍历整个ARP缓存表：

for (i= 0;i <ARP_TABLE_SIZE;++i) { 

    u8_t state =arp_table[i].state; 

    if ((empty== ARP_TABLE_SIZE)&& (state== ETHARP_STATE_EMPTY)) {                                                                   

        empty =i;        /*记录第一个empty表项*/

    } else if (state!=  ETHARP_STATE_EMPTY) { 

        if (ipaddr &&ip4_addr_cmp(ipaddr,&arp_table[i].ipaddr)) { 

            return i;     /*找到一个IP地址匹配的表项*/

        }  

 

        if (state== ETHARP_STATE_PENDING) { 

            /* pending with queued packets? */   

            if (arp_table[i].q !=  NULL) { 

                if (arp_table[i].ctime >= age_queue) { 

                    old_queue =i; 

                    age_queue =arp_table[i].ctime; 

                }  

            } else  

            /* pending without queued packets? */   

            {  

                if (arp_table[i].ctime >= age_pending) { 

                    old_pending =i; 

                    age_pending =arp_table[i].ctime; 

                }  

            }  

            /* stable entry? */   

        } else if (state>= ETHARP_STATE_STABLE) { 

if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES 

            /* don't record old_stable for static entries since they never expire */   

            if (state< ETHARP_STATE_STATIC) 

#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */   

            {  

                /* remember entry with oldest stable entry in oldest, its age in maxtime */   

                if (arp_table[i].ctime >= age_stable) { 

                    old_stable =i; 

                    age_stable =arp_table[i].ctime; 

                }  

            }  

        }  

    }   

}   

for循环会遍历ARP缓存arp_table，会记录下第一个ETHARP_STATE_EMPTY表项，保存在变量empty中。empty初始化值为ARP_TABLE_SIZE，即ARP缓存表大小。如果表项的状态不为ETHARP_STATE_EMPTY，就判断此表项的ipaddr成员是否与参数ipaddr匹配，如果匹配则返回此缓存表项在ARP缓存表中的索引值。

在IP地址不匹配的情况下，接着做如下处理：

1) 表项状态为ETHARP_STATE_PENDING的情况下，如果arp_table[i].q为NULL，即此缓存表项没有挂载未发送的缓存数据，记录下此种类型的缓存表项的最长存在时间ctime,保存到变量age_pending，此表项的索引值保存到局部变量old_pending。如果arp_table[i].q不为NULL，即此缓存表项有挂载未发送的缓存数据，记录下此种类型的缓存表项的最长存在时间ctime，保存到变量age_queue中，表项索引值保存在变量old_queue。

2) 表项状态值state大于等于ETHARP_STATE_STABLE的情况下，此时state值可能为枚举etharp_state中的后四种情况。如果宏ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES值为1，则还需要判断state值不为ETHARP_STATE_STATIC，因为ARP缓存表中静态表项是不会过期的，在统计处于stable状态的缓存表项的最长存在时间时，不统计此种情况的ARP缓存表项。最长存在时间保存到变量age_stable，对应的索引值保存到变量old_stable。

上面for循环结束后，在参数ipaddr不为NULL的情况下，有可能找到匹配的缓存表项并直接返回。其它情况则会接着执行下面的代码：

if (((flags &ETHARP_FLAG_FIND_ONLY) !=  0) ||  

      /* or no empty entry found and not allowed to recycle? */   

      ((empty== ARP_TABLE_SIZE) &&((flags &ETHARP_FLAG_TRY_HARD)== 0))) {                                              

    return (s8_t)ERR_MEM; 

}  

如果flags标志设置为ETHARP_FLAG_FIND_ONLY，说明调用此函数仅仅是为了查找一个ARP缓存表项，运行到这来就是前面for循环遍历的时候没有找到，那么久直接返回错误ERR_MEM。

如果flags标志设置为ETHARP_FLAG_TRY_HARD，说明就算没有一个empty的缓存表项，也会选择一个合适的表项索引返回。这里如果没有设置ETHARP_FLAG_TRY_HARD标志且empty等于ARP_TABLE_SIZE（没有找到空闲表项），那么也直接返回错误ERR_MEM。

接着分析etharp_find_entry函数第二部分代码，此部分代码选择一个合适的ARP表项返回。运行到这里来了，说明ETHARP_FLAG_TRY_HARD标志一定设置了。

if (empty< ARP_TABLE_SIZE) { /*找到empty表项*/

    i =empty; 

} else {            /*没有找打empty表项，需要回收已存在表项*/                                                                                                              

    if (old_stable< ARP_TABLE_SIZE) { 

        i =old_stable;   

    } else if (old_pending< ARP_TABLE_SIZE) {   

        i =old_pending;  

    } else if (old_queue< ARP_TABLE_SIZE) {    

        i =old_queue;  

    } else { 

        return (s8_t)ERR_MEM; 

    }  

 

    etharp_free_entry(i); 

}

变量empty的值初始化为ARP_TABLE_SIZE，在for循环中如果找到第一个的ETHARP_STATE_EMPTY状态的表项，就将其索引值赋给empty。这里如果empty小于ARP_TABLE_SIZE，说明找到了empty表项，并就此表项索引值empty赋给i；否则说明没有找到empty表项，那么就需要从ARP表中回收ARP表项。

在前面for循环中我们有记录如下信息：

a) 存在时间最长的ETHARP_STATE_STABLE状态的ARP表项索引old_stable。

b) 存在时间最长的ETHARP_STATE_PENDING状态且没有挂载未发送缓存数据的ARP表项的索引old_pending。

c) 存在时间最长的ETHARP_STATE_PENDING状态且有挂载未发送的缓存数据的ARP表项的索引old_queue。

在回收的时候安装上面aàbàc的顺序，如果ARP表项中有ETHARP_STATE_STABLE状态的表项，就回收索引old_stable对应的ARP表项；如果没有找到ETHARP_STATE_STABLE状态的表项，就接着查找ETHARP_STATE_PENDING状态且没有挂载未发送缓存数据的ARP表项，找到的话就回收索引old_pending对应的ARP表项；最后的选择就是回收索引值old_queue对应的ARP表项。

找到合适的回收ARP表项后，调用etharp_free_entry清除此ARP表项，包括设置state成员为ETHARP_STATE_EMPTY，ctime成员为0，ethaddr成员为ethzero等。

etharp_find_entry函数最后一部分的工作就是创建一个新的ARP表项，就是对arp_table[i]成员的各种初始化工作。