分析TCP/IP协议栈代码之ARP（STM32平台）

ARP部分
IP&ICMP部分
UDP部分
TCP部分

1. ARP的简介
Address Resolution Protocol-地址解析协议
ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。从逻辑Internet地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是ARP的功能。ARP的功能是在32 bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射。



2. ARP的应答流程





任何时候我们敲入下面这个形式的命令：

% ftp bsdi	//示例而已

都会进行以下这些步骤。这些步骤的序号如图 4 - 2所示。
1) 应用程序FTP客户端调用函数gethostbyname(3)把主机名（bsdi）转换成32 bit的IP地址。这个函数在DNS（域名系统）中称作解析器，我们将在第1 4章对它进行介绍。这个转换过程或者使用DNS，或者在较小网络中使用一个静态的主机文件（/etc/hosts） 。
2) FTP客户端请求TCP用得到的IP地址建立连接。
3) TCP发送一个连接请求分段到远端的主机，即用上述 IP地址发送一份IP数据报（在第1 8章我们将讨论完成这个过程的细节） 。
4) 如果目的主机在本地网络上（如以太网、令牌环网或点对点链接的另一端） ，那么IP数据报可以直接送到目的主机上。如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过 IP选路函数来确定位于本地网络上的下一站路由器地址，并让它转发 IP数据报。在这两种情况下，IP数据报都是被送到位于本地网络上的一台主机或路由器。
5) 假定是一个以太网，那么发送端主机必须把 32 bit的IP地址变换成48 bit的以太网地址。从逻辑Internet地址到对应的物理硬件地址需要进行翻译。这就是 ARP的功能。ARP本来是用于广播网络的，有许多主机或路由器连在同一个网络上。

6) ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播，如图 4 - 2中的虚线所示。 ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址（主机名为bsdi） ，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。 ”

7) 目的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的 IP地址，于是发送一个ARP应答。这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址。
8) 收到ARP应答后，使ARP进行请求—应答交换的IP数据报现在就可以传送了。
9) 发送IP数据报到目的主机。

3. ARP的分组格式



• 以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全 1的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。
• 两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于 A R P请求或应答来说，该字段的值为0 x 0 8 0 6。

• 硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为 1即表示以太网地址。
• 协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为 0 x 0 8 0 0即表示I P地址。它的值与包含I P数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同，这是有意设计的（参见图 2 - 1） -忘了截过来了。

• 接下来的两个1字节的字段，硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上I P地址的ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4。
• 操作字段(op)指出四种操作类型，它们是 ARP请求（值为1） 、ARP应答（值为2） 、RARP请求（值为3）和R ARP应答（值为4） （我们在第5章讨论RARP） 。这个字段必需的，因为ARP请求和ARP应答的帧类型字段值是相同的。
• 接下来的四个字段是发送端的硬件地址（在本例中是以太网地址） 、发送端的协议地址（IP地址） 、目的端的硬件地址和目的端的协议地址。注意，这里有一些重复信息：在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。

对于一个ARP请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本机的 ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为 2，最后把它发送回去。
--------------------------------以上内容整理于《TCP/IP协议详解：卷1》----------------------------
理是那个那个理，但是过于抽象了，不过是基础，看完上面再看实现，那感觉很爽的~~~
------------------------------------------以下内容产生于代码及分析--------------------------------------
4. ARP的宏定义实现

以太网协议而非802.3协议，看ETH命名的头名字就晓得了，地址位置可以结合两个header算算就出来了

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// ******* ARP ******* //ARP包长度 #define ETH_ARP_PACKET_LEN 28 //硬件地址长度值 #define ETHTYPE_ARP_L_V 0x06 //协议地址长度值 #define ETHTYPE_ARP_PROTOCOL_SIZE_V 0x04 //操作码位置 2字节 #define ETH_ARP_OPCODE_H_P 0x14 #define ETH_ARP_OPCODE_L_P 0x15 //ARP请求操作码值 #define ETH_ARP_OPCODE_REQUEST_V 0x0001 #define ETH_ARP_OPCODE_REQUEST_H_V 0x00 #define ETH_ARP_OPCODE_REQUEST_L_V 0x01 //ARP响应操作码值 #define ETH_ARP_OPCODE_REPLY_V 0x0002 #define ETH_ARP_OPCODE_REPLY_H_V 0x00 #define ETH_ARP_OPCODE_REPLY_L_V 0x02 // 发送者源硬件地址位置 6字节 #define ETH_ARP_SRC_MAC_P 0x16 //发送者源IP地址位置 4字节 #define ETH_ARP_SRC_IP_P 0x1c //目标硬件地址位置 6字节 #define ETH_ARP_DST_MAC_P 0x20 //目标IP地址位置 4字节 #define ETH_ARP_DST_IP_P 0x26

5. ARP的实现函数
以太网的header在ARP的header之前，很简单的，介绍先。



配置以太网的头，为14字节：6字节目的mac地址+6字节源mac地址+2字节协议类型，如图4-3

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// make a return eth header from a received eth packet void make_eth(unsigned char *buf) { unsigned char i = 0; //copy the destination mac from the source and fill my mac into src while(i < sizeof(mac_addr)) { buf[ETH_DST_MAC + i] = buf[ETH_SRC_MAC + i]; buf[ETH_SRC_MAC + i] = macaddr[i]; i++; } }

展开就是这样的，看看宏定义是否与此一一对应呢。



在判断为arp请求之后，填充以太网的头之后响应arp请求

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void make_arp_answer_from_request(unsigned char *buf) { unsigned char i = 0; //配置以太网的头，为14字节：6字节目的mac地址+6字节源mac地址+2字节协议类型 make_eth(buf); buf[ETH_ARP_OPCODE_H_P] = ETH_ARP_OPCODE_REPLY_H_V; //arp 响应 buf[ETH_ARP_OPCODE_L_P] = ETH_ARP_OPCODE_REPLY_L_V; // 后面的ARP_DEBUG插入此处即可。 // fill the mac addresses: while(i < sizeof(mac_addr)) { buf[ETH_ARP_DST_MAC_P + i] = buf[ETH_ARP_SRC_MAC_P + i]; buf[ETH_ARP_SRC_MAC_P + i] = macaddr[i]; i++; } i = 0; //fill the ipv4 addresses while(i < sizeof(ipv4_addr)) { buf[ETH_ARP_DST_IP_P + i] = buf[ETH_ARP_SRC_IP_P + i]; buf[ETH_ARP_SRC_IP_P + i] = ipaddr[i]; i++; } // eth+arp is 42 bytes: enc28j60PacketSend(ETH_HEADER_LEN + ETH_ARP_PACKET_LEN, buf); }

当然，响应ARP请求的前提是你得确定有人向你发出ARP请求（下面那个函数就是了），并且这个人是谁，你是要知道的（通过发送者的IP和MAC地址），这个很容易，本协议是将地址放在几个全局变量里面的，大家就都知道了，虽然全局变量用起来很爽，但是对模块化以及后期维护带来的不便也是很大的。

检查是否为合法的eth，并且只接受发给本机的arp数据，此函数在上面那个函数之前被调用，再下面的代码就是演示的例程

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//检查是否为合法的eth，并且只接受发给本机的arp数据 unsigned char eth_type_is_arp_and_my_ip(unsigned char *buf, unsigned int len) { unsigned char i = 0; // 帧长度不得小于以太网的最小帧长度值，即46-除以太网头和CRC检测 if(len < MIN_FRAMELEN) { return(0); } if(buf[ETH_TYPE_H_P] != ETHTYPE_ARP_H_V || buf[ETH_TYPE_L_P] != ETHTYPE_ARP_L_V) { return(0); } //不是发给本机IP地址的不接收，那么如此说来，我在这里可以设定监听其他IP的信息! while(i < sizeof(ipv4_addr)) { if(buf[ETH_ARP_DST_IP_P + i] != ipaddr[i]) { return(0); } i++; } return(1); }

以上函数在别人向你发送任何请求之前都将被调用一次（原因是本协议只是实现了对IP和ARP的响应），所以需要在一个while死循环或者RTOS的一个thread/task/process里面。如下所示：

上层调用示例代码

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/* 此部分为一部分代码 */ /*do something initial */ while(1) { // get the next new packet: plen = enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE, buf); // plen will be unequal to zero if there is a valid packet (without crc error) if(plen==0) { continue; } // check if ip packets are for us: if(eth_type_is_ip_and_my_ip(buf,plen)==0) { //丢弃本次获取的数据，再接下一个 continue; } // arp is broadcast if unknown but a host may also // verify the mac address by sending it to // a unicast address. //这里就是ARP的响应了，如果我们在这里加入串口调试， //就可以将谁在向我发送arp请求的数据打印到串口 //当然加一个选择宏，放在函数里面更方便一点 if(eth_type_is_arp_and_my_ip(buf,plen)) { make_arp_answer_from_request(buf); continue; } /*do other things */ }

6. ARP实验调式
嗯，接者来看看在make_arp_answer_from_request函数里面加入串口调试信息来输出arp请求者的ip和mac地址。

加入到 make_arp_answer_from_request中的调试代码，用于输出ARP请求者的信息

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#ifdef ARP_DEBUG printf("ARP请求者IP地址 ： \r\n"); while(i < sizeof(ipv4_addr)) { printf("%d", buf[ETH_ARP_SRC_IP_P + i]); if(i != sizeof(ipv4_addr) - 1) // 加入判断只是为了输出的形式好看点 { printf("."); } else { printf("\r\n"); } i++; } i = 0; printf("ARP请求者MAC地址 ：\r\n"); while(i < sizeof(mac_addr)) { printf("%x", buf[ETH_ARP_SRC_MAC_P + i]); if(i != sizeof(mac_addr) - 1) { printf(":"); } else { printf("\r\n"); } i++; } i = 0; #endif

PC端：测试arp请求需要先执行“arp -d”清楚本地的arp-ip对应列表，这样PC机才会发送ARP请求
ps:enj28j60的MAC地址是软件设定的，所以就不打码了。





串口端：显示调试信息而已





下面是我放着没动它，局域网内就有其他主机来找我的嵌入式Web Server了，O(∩_∩)O~





--------------------------------------------以下是我看代码看的不仔细的纠结，可跳过-----------------------------------------------
但是在实验过程中发现如下情况是不会调用make_arp_answer_from_request函数的：PC机本地有arp-ip列表，就是ping过一次以后ping第二次的就不会去响应了，这个本来就是要如此的，希望结果就是这样的，你要问我是谁（MAC地址是多少），然后我告诉你一次，你记住就ok了么。但是问题出在我们的协议栈实现代码里面，本协议栈在通过eth_type_is_arp_and_my_ip判断了是发给本机的数据包之后，就会调用arp响应的，没有一个对以太网header的类型的判断啊。怎么会自己变的智能了呢?

代码如下

1 2 3 4 5 6

if(eth_type_is_arp_and_my_ip(buf, plen)) { make_arp_answer_from_request(buf); continue; }

那么问题出在哪里呢？
1. 难道是进入make_arp_answer_from_request 函数，但是没有发送出去么？当然也不会在enc28j60PacketSend(ETH_HEADER_LEN + ETH_ARP_PACKET_LEN, buf); 里面，因为没有判别信息传递进去。（当然发不发，只要如函数之后就会有打印信息输出到串口）
2. 那么就是eth_type_is_arp_and_my_ip 函数返回为0了；
但是ping命令还是可以得到响应的，哦，对了，还有ICMP（我本来就用的ping，都忘了，放在IP层），那么就好解释了，第一次是由ARP+ICMP响应，第二次及之后的只有ICMP响应。所以现象还是符合原理解释的。
但是，我用网页去刷新和点亮LED等，走的肯定是IP包，ARP还是不响应。

回去看代码，当时对自己就无语了
if(buf[ETH_TYPE_H_P] != ETHTYPE_ARP_H_V || buf[ETH_TYPE_L_P] != ETHTYPE_ARP_L_V)
是ARP啊，我以为是对IP和ARP都会响应，而且人家的函数名是eth_type_is_arp_and_my_ip ，我自己把它想成eth_type_is_arp_and_ip ，╮(╯▽╰)╭
代码就在那里，自己SB了~~~
--------------------------------------------以上是我边想边实验边写的过程-----------------------------------------------

硬件环境：STM32+ENC28J60
软件环境：MDK4.70a
TCP/IP协议栈：开发者的网站已经关闭了，也没有命名~~~
给出作者信息：
/*********************************************

* modified: 2007-08-08

* Author : awake

* Copyright: GPL V2

* http://www.icdev.com.cn/?2213/
* Host chip: ADUC7026

**********************************************/