11. ARP协议¶
11.1. 链路层概述¶
我们首先学习一些有用的术语。在本章中为方便讨论，将运行链路层协议（即第2层）协议的任何设备均称为结点（node）。结点包括主机、路由器、交换机和WiFi接入点。我们也把沿着通信路径连接相邻结点的通信信道称为链路（link）。为了将一个数据报从源主机传输到目标主机，数据报必须通过端到端路径上的各段链路才能到达目标主机。在通过特定的链路时，传输结点将数据报封装在链路层帧中，并将该帧传送到链路中。
链路层的主体部分是网卡中实现的，在发送的数据帧的时候，协议栈取得由高层传递过的数据报（注意，数据帧与数据报不是一个东西，数据帧一般形容链路层的数据，是一帧一帧的，也是链路层的服务——数据成帧），在链路层中封装该数据报，也就是填写数据帧的各个字段，然后遵循链路接入协议将该帧数据进行传输；在接收端，控制器接收了整个数据帧，抽取出网络层的数据报，往上层传递。
其实这些知识过于底层，我们暂时也无需了解太多，只需要知道所有不同主机的信息都是必须通过链路层才能传递数据，所有链路层的完整与稳定是传递信息的必要条件。
11.2. MAC地址的基本概念¶
MAC Address(Media Access Control Address)，亦称为EHA（Ethernet Hardware Address）、硬件地址、物理地址（Physical Address）。MAC地址就是在媒体接入层上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址或链路地址，其被固化在网卡的ROM中。可见MAC地址实际上就是网卡地址或网卡标识符。当某台计算机使用某块网卡后，网卡上的标识符就成为该计算机的MAC地址。MAC地址长度为6字节（48比特），其前3个字节表示组织唯一标志符（Organizationally Unique Identifier，即OUI），由IEEE的注册管理机构给不同厂家分配的代码，以区分不同的厂家，后3个字节由厂家自行分配，称为扩展标识符。同一个厂家生产的网卡中MAC地址后24位是不同的。
11.3. 初识ARP¶
地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）是通过解析IP地址得到数据链路层地址的，是一个在网络协议包中极其重要的网络传输协议，它与网卡有着极其密切的关系，在TCP/IP分层结构中，把ARP划分为网络层，为什么呢，因为在网络层看来，源主机与目标主机是通过IP地址进行识别的，而所有的数据传输又依赖网卡底层硬件，即链路层，那么就需要将这些IP地址转换为链路层可以识别的东西，在所有的链路中都有着自己的一套寻址机制，如在以太网中使用MAC地址进行寻址，标识不同的主机，那么就需要有一个协议将IP地址转换为MAC地址，由此就出现了ARP协议，ARP协议在网络层被应用，它是网络层与链路层连接的重要枢纽。
在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址，那就需要ARP进行地址解析，所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。
11.4. 以太网帧结构¶
既然谈到MAC地址，那就不得不说一下以太网帧结构了，每个网卡都有唯一一个物理地址，在硬件中进行数据帧传输的时候就必须有正确的目的物理地址，例如以太网的48位MAC地址就是存储在网卡内部存储器中。
以太网帧结构如 图10_1 所示：
图 10‑1以太网帧结构
一看这个以太网帧结构，就觉得它有7个字段，但是事实上，前同步码与帧开始符字段不能算是真正的以太网帧数据结构，他们是在网卡发送的时候添加进去的，为了数据的准确传输。
以太网帧以一个7字节的前同步码（Preamble）字段开始。该前同步码的值都是10101010（0x55，大端模式）；而后紧接着一个字节的帧开始符，其值是10101011（0xD5，大端模式）。前同步码字段的作用是实现物理层帧输入输出的同步，而帧开始符表示着以太网帧的开始，剩下的5个字段才是真正的以太网数据帧结构。
目标MAC地址（6字节）：这个字段包含目标网卡的MAC地址，当一个网卡收到一个以太网数据帧，如果该数据帧的目标地址是网卡自身的MAC地址或者是MAC广播地址，它都将该帧的数据字段的内容传递给网络层；如果它收到了具有任何其他MAC地址的帧，则将该数据帧丢弃。
源MAC地址（6字节）：这个字段包含了传输该帧到局域网上的适配器的MAC地址。
类型字段（2字节）：类型字段允许以太网复用多种网络层协议。为了理解这点，我们需要记住主机能够使用除了IP以外的其他网络层协议。事实上，一台给定的主机可以支持多种网络层协议，以对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。
注意了：当这个字段的值小于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。
数据字段（46~1500字节）：这个字段承载了IP数据报。以太网的最大传输单元（MTU）是1500字节。这意味着如果IP数据报超过了1500字节，则主机必须将该数据报分片（关于分片会在后续讲解）。数据字段的最小长度是46字节，这意味着如果IP数据报小于46字节，数据报必须被填充到46字节。当采用填充时，传递到网络层的数据包括IP数据报和填充部分，网络层使用IP数据报首部中的长度字段来去除填充部分。
CRC（4字节）：CRC字段包含了以太网的差错校验信息。
在以太网帧中，目标MAC地址可以分成三类，单播地址、多播地址和广播地址。单播地址通常是与某个网卡的MAC地址对应，它要求以太网第一个字节的bit0（最先发出去的位）必须是0；而多播地址则要求第一个字节的bit0为1，这样子多播地址就不会与任何网卡的MAC地址相同，可以被多个网卡同时接收；广播地址的48位MAC地址全为1，也就是FF-FF-FF-FF-FF-FF， 同一局域网内的所有网卡都会收到广播的数据包。
所有的以太网计算都向网络层提供不可靠的无连接服务，也就是说在网卡发送数据的时候，不会向目标网卡进行事先的通知（握手），网卡只在以太网帧中封装好来自上层的数据报，然后把数据报发送到局域网上。同样的当一个网卡接收一个以太网数据帧的时候，它也不会进行回复确认，如果当网卡执行CRC校验不通过的时候，它也不会发送否定确认，这样子当一些以太网帧不通过CRC校验时，网卡只是将其丢弃，而发送的一方就不会知道它传输的数据是否达到并且通过校验。
11.5. IP地址映射为物理地址¶
TCP/IP协议有自己的IP地址，IP地址（IPv4）是一个32位的IP地址，网络层发送数据包只需要知道目标主机IP地址即可，而以太网发送数据则必须知道对方的硬件MAC地址，同时IP地址的分配与硬件MAC地址是没有关系的，为了让网络层只需要知道IP地址就可以完成通信工作，那就需要有一个协议将IP地址映射成为对应的MAC地址，此外还需要考虑IP地址可能是动态的，非常灵活，使用静态的映射方法是行不通的，所以ARP协议就提供优质的地址动态解析的机制，让32位的IP地址能映射成为48位的MAC地址，让上层应用于底层完全分离开，这样子在上层应用就能灵活使用IP地址作为标识，进行通信。
11.6. ARP缓存表¶
既然已经解释了ARP的用途，我们再来看看它是如何工作的。为了实现IP地址与网卡MAC地址的查询与转换，ARP协议引入了ARP缓存表的概念，每台主机或路由器在其内存中具有一个ARP缓存表（ARP table），这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系，表中记录了<IP地址，MAC地址>对，它们是主机最近运行时获得关于其他主机的IP地址到物理地址的映射，当需要发送IP数据的时候，主机就会根据目标IP地址到ARP缓存表中进行查找对应的MAC地址，然后通过网卡将数据发送出去。ARP表也包含一个寿命（TTL）值，它指示了从表中删除每个映射的时间。从一个表项放置到某ARP表中开始，一个表项通常的过期时间是10分钟。
我们电脑也是有自己的ARP缓存表的，可以在控制台中通过“arp -a”命令进行查看，具体见 图10_2。
图 10‑2ARP缓存表
从图中可以看到作者的电脑有很多这样子的缓存表，其中192.168.0.181是我电脑的IP地址，而192.168.0.xxx这些IP是公司的其他电脑与其对应的物理地址（MAC地址），比如IP地址为192.168.0.108的电脑MAC地址为dc-72-9b-cf-0c-e5，如果我想向该电脑发送一个数据包，那么我的电脑就会从已有的ARP缓存表中寻找这个IP地址对应的物理地址，然后直接将数据写入以太网数据帧中让网卡进行发送即可，而如果没有找到这个IP地址，那么这个数据就没法立即发送，电脑会先在局域网上广播一个ARP请求（目标MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF），广播的ARP请求发出后，处于同一局域网内的所有主机都会接收到这个请求，如果目标IP地址与主机自身IP地址吻合就会返回一个ARP应答，告诉请求者自身的MAC地址，当我的电脑收到这个ARP应答后，就去更新ARP缓存表，并且重新将数据发送出去。
ARP协议的核心就是对缓存表的操作，发送数据包的时候，查找ARP缓存表以得到对应的MAC地址，必要时进行ARP缓存表的更新，此外ARP还需要不断处理其他主机的ARP请求，在ARP缓存表中的TTL即将过期的时候更新缓存表以保证缓存表中的表项有效。
其运作过程大致可以理解为：
1. 如果主机A想发送数据给主机B，主机A首先会检查自己的ARP缓存表，查看是否有主机B的IP地址和MAC地址的对应关系， 如果有，则会将主机B的MAC地址作为源MAC地址封装到数据帧中。如果本地ARP缓存中没有对应关系， 主机A就会向局域网中广播ARP请求（包括发送方的IP地址、MAC地址、接收方的IP地址）， 每台主机接收到ARP请求后都检查自己的IP地址是否与ARP请求中的接收方IP地址相同，若不相同则丢弃ARP请求包。
当交换机接受到此数据帧之后，发现此数据帧是广播帧，因此，会将此数据帧从非接收的所有接口发送出去。
3. 当主机B接受到此数据帧后，会校对IP地址是否是自己的，并将主机A的IP地址和MAC地址的对应关系记录到自己的ARP缓存表中， 同时会发送一个ARP响应，其中包括自己的MAC地址。
4. 主机A在收到这个回应的数据帧之后，在自己的ARP缓存表中记录主机B的IP地址和MAC地址的对应关系。 而此时交换机已经学习到了主机A和主机B的MAC地址了。
那么在LwIP中缓存表是如何实现的呢？下面我们就结合源码进行讲解。
ARP协议的核心是ARP缓存表，ARP的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作， ARP缓存表的核心是表项（entry）。LwIP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，具体见 代码清单10_1。 每个表项都必须记录一对IP地址与MAC地址的映射关系，此外还有一些基本的信息， 如表项的状态、生命周期（生存时间）以及对应网卡的基本信息， LwIP使用一个etharp_entry结构体对表项进行描述，具体见 代码清单10_2。
代码清单 10‑1ARP缓存表
static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE];
编译器预先定义了缓存表的大小，ARP_TABLE_SIZE默认为10，也就是最大能存放10个表项，由于这个表很小，LwIP对表的操作直接采用遍历方式，遍历每个表项并且更改其中的内容。
代码清单 10‑2 etharp_entry结构体
struct etharp_entry
{
#if ARP_QUEUEING
/** 指向此ARP表项上挂起的数据包队列的指针。 */
struct etharp_q_entry *q; //(1)-①
#else
/** 指向此ARP表项上的单个挂起数据包的指针。 */
struct pbuf *q; //(1)-②
#endif
ip4_addr_t ipaddr; (2)
struct netif *netif; (3)
struct eth_addr ethaddr; (4)
u16_t ctime; (5)
u8_t state; (6)
};
代码清单 10‑2(1)：这里使用了一个宏定义进行预编译，默认配置该宏定义是不打开的， 其实都是一样，q都是指向数据包，(1)-①中的etharp_q_entry指向的是数据包缓存队列， etharp_q_entry是一个结构体，具体见 代码清单10_3，如果将ARP_QUEUEING宏定义打开， 系统会为etharp_q_entry结构体开辟一些MEMP_ARP_QUEUEING类型的内存池， 以便快速申请内存。而(1)-②中的q直接指向单个数据包。具体见 图10_3 与 图10_4。
图 10‑3 ARP表项上的单个挂起数据包
图 10‑4 ARP表项上挂起的数据包队列
代码清单 10‑3etharp_q_entry结构体
struct etharp_q_entry
{
struct etharp_q_entry *next;
struct pbuf *p;
};
代码清单 10‑2(2)：记录目标IP地址。
代码清单 10‑2(3)： 对应网卡信息。
代码清单 10‑2(4)：记录与目标IP地址对应的MAC地址。
代码清单 10‑2(5)：生存时间。
代码清单10‑2(6)：表项的状态，LwIP中用枚举类型定义了不同的状态， 具体见 代码清单10_4。
代码清单 10‑4表项的状态
/** ARP states */
enum etharp_state
{
ETHARP_STATE_EMPTY = 0,
ETHARP_STATE_PENDING,
ETHARP_STATE_STABLE,
ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1,
ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2
#if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
, ETHARP_STATE_STATIC
#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
};
ARP缓存表在初始化的时候，所有的表项都会被初始化为ETHARP_STATE_EMPTY，也就是空状态，表示这些表项能被使用，在需要添加表项的时候，LwIP内核就会遍历ARP缓存表，找到合适的表项，进行添加。如果ARP表项处于ETHARP_STATE_PENDING状态，表示ARP已经发出了一个ARP请求包，但是还未收到目标IP地址主机的应答，处于这个状态的缓存表项是有等待时间的，它通过宏定义ARP_MAXPENDING指定，默认为5秒钟，如果从发出ARP请求包后的5秒内还没收到应答，那么该表项又会被删除；而如果收到应答后，ARP就会更新缓存表的信息，记录目标IP地址与目标MAC地址的映射关系并且开始记录表项的生存时间，同时该表项的状态会变成ETHARP_STATE_STABLE状态。当要发送数据包的时候，而此时表项为ETHARP_STATE_PENDING状态，那么这些数据包就会暂时被挂载到表项的数据包缓冲队列上，直到表项的状态为ETHARP_STATE_STABLE，才进行发送数据包。对于状态为ETHARP_STATE_STABLE的表项，这些表项代表着ARP记录了IP地址与MAC地址的映射关系，能随意通过IP地址进行数据的发送，但是这些表项是具有生存时间的，通过宏定义ARP_MAXAGE指定，默认为5分钟，在这些时间，LwIP会不断维护这些缓存表以保持缓存表的有效。当表项是ETHARP_STATE_STABLE的时候又发送一个ARP请求包，那么表项状态会暂时被设置为ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1，然后被设置为ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2状态，这些是一个过渡状态，当收到ARP应答后，表项又会被设置为ETHARP_STATE_STABLE，这样子能保持表项的有效。
所以ARP缓存表是一个动态更新的过程，为什么要动态更新呢？因为以太网的物理性质并不能保证数据传输的是可靠的。以太网发送数据并不会知道对方是否已经介绍成功，而两台主机的物理线路不可能一直保持有效畅通，那么如果不是动态更新的话，主机就不会知道另一台主机是否在工作中，这样子发出去的数据是没有意义的。比如两台主机A和B，一开始两台主机都是处于连接状态，能正常进行通信，但是某个时刻主机B断开了，但是主机A不会知道主机B是否正常运行，因为以太网不会提示主机B已经断开，那么主机A会一直按照MAC地址发送数据，而此时在物理链路层就已经是不通的，那么这些数据是没有意义的，而如果ARP动态更新的话，主机A就会发出ARP请求包，如果得不到主机B的回应，则说明无法与主机B进行通信，那么就会删除ARP表项，就无法进行通信。
11.7. ARP缓存表的超时处理¶
从前面的章节也知道，ARP是动态处理的，现在总结一下：ARP表项的生存时间是5分钟，而ARP请求的等待时间是5秒钟，当这些时间到达后，就会更新ARP表项，如果在物理链路层无法连通则会删除表项。这就需要ARP层有一个超时处理函数对ARP进行管理，这些操作都是根据ARP表项的ctime字段进行的，它记录着对应表项的生存时间，而超时处理函数是etharp_tmr()，它是一个周期性的超时处理函数，每隔1秒就调用一次，当ctime的值大于指定的时间，就会删除对应的表项，具体见 代码清单10_5。
代码清单 10‑5 etharp_tmr()源码
void
etharp_tmr(void)
{
int i;
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG, ("etharp_timer\n"));
/* 遍历ARP表，从ARP表中删除过期的表项 */
for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i) (1)
{
u8_t state = arp_table[i].state;
if (state != ETHARP_STATE_EMPTY
#if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
&& (state != ETHARP_STATE_STATIC)
#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
)
{
arp_table[i].ctime++; (2)
if ((arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE) ||
((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) &&
(arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING))) (3)
{
/* 等待表项稳定或者表项已经过期*/
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG,("etharp_timer: expired %s entry %d.\n",
arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE ? "stable" : "pending", i));
/*从ARP表中删除过期的表项 */
etharp_free_entry(i); (4)
}
else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1)
{
/* 过渡 */
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2;
}
else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2)
{
/* 进入ETHARP_STATE_STABLE状态 */
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE;
}
else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING)
{
/*仍然挂起，重新发送ARP请求 */
etharp_request(arp_table[i].netif, &arp_table[i].ipaddr);
}
}
}
}
代码清单 10‑5(1)：由于LwIP的ARP表是比较小的，直接遍历表即可，更新ARP表的内容。
代码清单 10‑5(2)：如果ARP表项不是空的，那么就记录表项的时间。
代码清单 10‑5(3)(4)：当表项的时间大于表项的生存时间（5分钟）， 或者表项状态是ETHARP_STATE_PENDING处于等待目标主机回应ARP请求包， 并且等待的时间超过ARP_MAXPENDING（5秒），那么LwIP就认为这些表项是无效了， 就调用etharp_free_entry()函数删除表项。
11.8. ARP报文¶
ARP的请求与应答都是依赖ARP报文结构进行的，ARP报文是放在以太网数据帧中进行发送的，所以下图会将以太网首部一同画出来，具体见 图10_5。
图 10‑5ARP报文
在ARP表建立前，主机并不知道目标MAC地址，所以在一开始的时候只能通过广播的方式将ARP请求包发送出去，处于同一局域网的主机都能接收到广播的数据包。所以一开始目标MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，而以太网首部的帧类型是有多种，对于ARP数据包来说，其值为0x0806，对于IP数据报来说，其值为0x0800，此处我们只需简单了解一下即可，无需记住。
接下来就是ARP报文部分，ARP也是一种协议，也有ARP首部，在ARP首部一开始的2个字节存储的是硬件类型，表示要知道目标网卡的硬件类型，其中，值为1表示以太网地址，其他还可能表示令牌环地址；接下来还有2字节的协议类型，表示硬件地址要映射的协议地址类型，其中，0x0800表示IP地址，其他还可能是ICMP/IGMP等；接下来有1个字节表示硬件地址长度，指出该报文中硬件地址的长度，对于以太网，它的值为6；还有1字节的协议地址长度，对于ARP请求或应答来说，该值为4；ARP首部最后的op字段用于记录ARP操作的类型，分别是：
ARP请求，其值为1。
ARP应答，其值为2。
RARP请求，其值为3。
RARP应答，其值为4。
我们只关心ARP的请求与应答即可，RARP是逆地址解析协议，在这里我们就不用去了解，它在网络中基本已经被淘汰，用于主机在启动的时候获得自己的IP地址。
对于ARP首部后面的四个字段分别是源MAC地址、源IP地址、目标MAC地址、目标IP地址，这些就是比较简单的了。
在ARP请求包中，除了目标MAC地址是未知以外，其他地址3个字段都应该填写正确，然后通过广播的形式将该ARP请求包发送出去，目标主机接收到该请求包后判断目标IP地址与自身IP地址是否一致，如果一致则返回ARP应答；对应ARP应答包，只需要把自己的MAC地址填充进去，并且请求包的源主机信息与目标主机信息进行交换位置，然后把op字段设置为2，就返回ARP应答包即可。
注意，在发送ARP请求包的时候，以太网首部的目标MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，而ARP首部目标MAC地址为00-00-00-00-00-00-00，这里千万不要混淆。
在LwIP中，使用了大量的数据结构对ARP进行描述，比较麻烦，我们暂时不用去学它，只要知道原理是这样子的即可，关于这些数据结构的定义位于etharp.h 、ethernet.h等头文件中，具体见 代码清单10_6。
代码清单 10‑6与ARP报文相关的数据结构（已删减）
#define ETH_HWADDR_LEN 6 //以太网地址长度
truct 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
{
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;
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
ARP_REPLY = 2 //应答包
};
为了加深理解，我们使用wireshark网络抓包工具形象地讲解报文格式与内容， 关于wireshark网络抓包工具的使用方式我们就不做过多讲解， 打开工具，然后抓取电脑网络中的数据包，具体见 图10_6。
图 10‑6抓包界面
然后我们找到ARP协议，双击进行查看ARP协议中的数据包，然后我们可以看到第一个ARP协议是一个请求包，而第二个ARP协议是一个应答包，具体见 图10_7 与 图10_8。
图 10‑7ARP请求包（op字段为1）
图 10‑8 ARP应答包（op字段为2）
11.9. 发送ARP请求包¶
发送ARP请求包的时候，需要填充已知的目标IP地址、源MAC地址、源IP地址等，并且需要该ARP包进行广播出去，所以以太网首部的目标MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，源码具体见 代码清单10_7。
代码清单 10‑7 发送ARP请求包相关源码
/*发送原始ARP数据包（操作码和所有地址都可以修改）
* @param netif用于发送ARP数据包的lwip网络接口
* @param ethsrc_addr以太网头的源MAC地址
* @param ethdst_addr以太网头的目标MAC地址
* @param hwsrc_addr ARP协议头的源MAC地址
* @param ipsrc_addr ARP协议头的源IP地址
* @param hwdst_addr ARP协议头的目标MAC地址
* @param ipdst_addr ARP协议头的目标IP地址
* @param操作编码ARP数据包的类型
* @return ERR_OK如果已发送ARP数据包
* 如果无法分配ARP数据包，则为ERR_MEM
*/
static err_t
etharp_raw(struct netif *netif, //用于发送ARP数据包的lwip网络接口
const struct eth_addr *ethsrc_addr,//以太网头的源MAC地址
const struct eth_addr *ethdst_addr,//以太网头的目标MAC地址
const struct eth_addr *hwsrc_addr,//ARP协议头的源MAC地址
const ip4_addr_t *ipsrc_addr,//ARP协议头的源IP地址
const struct eth_addr *hwdst_addr, //ARP协议头的目标MAC地址
const ip4_addr_t *ipdst_addr,// ARP协议头的目标IP地址
const u16_t opcode)//操作编码ARP数据包的类型(op字段)
{
struct pbuf *p;
err_t result = ERR_OK;
struct etharp_hdr *hdr;
//申请ARP报文的内存空间
p = pbuf_alloc(PBUF_LINK, SIZEOF_ETHARP_HDR, PBUF_RAM);
if (p == NULL)
{
ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);//内存申请失败，返回错误代码
return ERR_MEM;
}
//ARP报文的数据区域，并且强制将起始地址转化成ARP报文首部
hdr = (struct etharp_hdr *)p->payload;
hdr->opcode = lwip_htons(opcode); //填写ARP数据包的op字段
//填写源MAC地址
SMEMCPY(&hdr->shwaddr, hwsrc_addr, ETH_HWADDR_LEN);
//填写目标MAC地址
SMEMCPY(&hdr->dhwaddr, hwdst_addr, ETH_HWADDR_LEN);
//以太网首部源MAC地址
IPADDR_WORDALIGNED_COPY_FROM_IP4_ADDR_T(&hdr->sipaddr, ipsrc_addr);
/
//以太网首部目标MAC地址
IPADDR_WORDALIGNED_COPY_FROM_IP4_ADDR_T(&hdr->dipaddr, ipdst_addr);
//填写ARP首部硬件类型
hdr->hwtype = PP_HTONS(LWIP_IANA_HWTYPE_ETHERNET);
//填写ARP首部协议类型
hdr->proto = PP_HTONS(ETHTYPE_IP);
//填写ARP数据包硬件地址长度
hdr->hwlen = ETH_HWADDR_LEN;
//填写ARP数据包协议地址长度
hdr->protolen = sizeof(ip4_addr_t);
//调用底层发送函数将以太网数据帧发送出去
ethernet_output(netif, p, ethsrc_addr, ethdst_addr, ETHTYPE_ARP);
ETHARP_STATS_INC(etharp.xmit);
pbuf_free(p);//发送完成释放内存
p = NULL;
return result; //返回结果
}
//FF-FF-FF-FF-FF-FF
const struct eth_addr ethbroadcast =
{{0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff}};
//00-00-00-00-00-00
const struct eth_addr ethzero = {{0, 0, 0, 0, 0, 0}};
//发送ARP请求包，指定目标MAC地址
static err_t
etharp_request_dst(struct netif *netif,
const ip4_addr_t *ipaddr,
const struct eth_addr *hw_dst_addr)
{
return etharp_raw(netif,
(struct eth_addr *)netif->hwaddr,
hw_dst_addr,
(struct eth_addr *)netif->hwaddr,
netif_ip4_addr(netif), ðzero,
ipaddr, ARP_REQUEST);
}
//发送ARP请求包，目标MAC地址为 ethbroadcast
err_t
etharp_request(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
return etharp_request_dst(netif, ipaddr, ðbroadcast);
}
总的来说就是先调用etharp_request()函数进行发送ARP请求包，在etharp_request()函数中会调用etharp_request_dst()函数进行发送，此时指定的目标MAC地址是ethbroadcast，而在etharp_request_dst()函数中会调用etharp_raw()进行发送ARP请求包，层层调用，并且每层的参数都是越来越多的，这样子封装对于上层程序来说更加好处理，在etharp_raw()函数中，会对ARP数据包进行封装，然后再封装到以太网数据帧中，最终调用以太网底层发送函数进行将以太网数据帧发送出去。
11.10. 数据包接收流程¶
11.10.1. 以太网之数据包接收¶
以太网是有自己独立的寻址方式（MAC地址），而对于TCP/IP的上层协议（如TCP协议、IP协议）， 它们是以IP地址作为网络的标识，如果没有IP地址则无法进行收发数据。当数据通过网卡中接收回来的时候， LwIP内核就需要将数据进行分解，如果是IP数据报则递交给IP协议去处理，如果是ARP数据包则交由ARP协议去处理。 LwIP中数据包从网卡接收的函数是ethernetif_input()，从第9章我们可以知道，真正让LwIP内核去处理接收到的数据包是ethernet_input()函数，这两个函数是不一样的，名字稍微有点区别，LwIP就是在这个函数中处理不同的数据包类型，其源码具体见 代码清单10_8。
代码清单 10‑8 ethernet_input()函数
err_t
ethernet_input(struct pbuf *p, struct netif *netif)
{
struct eth_hdr *ethhdr;
u16_t type;
#if LWIP_ARP || ETHARP_SUPPORT_VLAN || LWIP_IPV6
u16_t next_hdr_offset = SIZEOF_ETH_HDR;
#endif
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
//校验数据长度
if (p->len <= SIZEOF_ETH_HDR)
{
ETHARP_STATS_INC(etharp.proterr);
ETHARP_STATS_INC(etharp.drop);
MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinerrors);
goto free_and_return;
}
if (p->if_idx == NETIF_NO_INDEX)
{
p->if_idx = netif_get_index(netif);
}
/* ethhdr指针指向以太网帧头部，并且强制转换成eth_hdr结构 */
ethhdr = (struct eth_hdr *)p->payload; (1)
type = ethhdr->type;
if (ethhdr->dest.addr[0] & 1)
{
/* 这可能是多播或广播数据包 */
if (ethhdr->dest.addr[0] == LL_IP4_MULTICAST_ADDR_0)
{
if ((ethhdr->dest.addr[1] == LL_IP4_MULTICAST_ADDR_1) &&
(ethhdr->dest.addr[2] == LL_IP4_MULTICAST_ADDR_2))
{
/* 将pbuf标记为链路层多播 */
p->flags |= PBUF_FLAG_LLMCAST; (2)
}
}
else if (eth_addr_cmp(ðhdr->dest, ðbroadcast))
{
/* 将pbuf标记为链路层广播 */
p->flags |= PBUF_FLAG_LLBCAST; (3)
}
}
switch (type)
{
/* 如果是IP数据报 */
case PP_HTONS(ETHTYPE_IP):
if (!(netif->flags & NETIF_FLAG_ETHARP))
{
goto free_and_return;
}
/* 跳过以太网首部 */
if (pbuf_remove_header(p, next_hdr_offset)) (4)
{
goto free_and_return;
}
else
{
/* 传递到IP协议去处理 */
ip4_input(p, netif); (5)
}
break;
//对于是ARP包
case PP_HTONS(ETHTYPE_ARP):
if (!(netif->flags & NETIF_FLAG_ETHARP))
{
goto free_and_return;
}
/* 跳过以太网首部 */
if (pbuf_remove_header(p, next_hdr_offset)) (6)
{
ETHARP_STATS_INC(etharp.lenerr);
ETHARP_STATS_INC(etharp.drop);
goto free_and_return;
}
else
{
/*传递到ARP协议处理 */
etharp_input(p, netif); (7)
}
break;
//如果支持PPPOE
#if PPPOE_SUPPORT
case PP_HTONS(ETHTYPE_PPPOEDISC):
pppoe_disc_input(netif, p);
break;
case PP_HTONS(ETHTYPE_PPPOE):
pppoe_data_input(netif, p);
break;
#endif /* PPPOE_SUPPORT */
//如果支持ipv6
#if LWIP_IPV6
case PP_HTONS(ETHTYPE_IPV6): /* IPv6 */
/* skip Ethernet header */
if ((p->len < next_hdr_offset) ||
pbuf_remove_header(p, next_hdr_offset))
{
goto free_and_return;
}
else
{
/* pass to IPv6 layer */
ip6_input(p, netif);
}
break;
#endif /* LWIP_IPV6 */
default:
#ifdef LWIP_HOOK_UNKNOWN_ETH_PROTOCOL
if (LWIP_HOOK_UNKNOWN_ETH_PROTOCOL(p, netif) == ERR_OK)
{
break;
}
#endif
ETHARP_STATS_INC(etharp.proterr);
ETHARP_STATS_INC(etharp.drop);
MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinunknownprotos);
goto free_and_return;
}
return ERR_OK;
free_and_return:
pbuf_free(p);
return ERR_OK;
}
代码清单 10‑8(1)：ethhdr指针指向以太网帧首部，并且强制转换成eth_hdr结构，这是为了方便对以太网帧首部进行操作。
代码清单 10‑8(2)：如果目标IP地址的第一个字节的bit0是1， 那么有可能是多播或者是广播数据包，所以，还需要进行判断，如果是多播的，就将pbuf标记为链路层多播。
代码清单 10‑8(3)：如果是广播的，就将pbuf标记为链路层广播。
代码清单 10‑8(4)：如果数据包是ETHTYPE_IP类型，则调用pbuf_remove_header()函数跳过以太网帧首部，方便对数据进行操作。
代码清单 10‑8(5)：除去以太网帧首部成功，调用ip4_input()函数将数据包递交到IP协议去处理，对于IP层的处理，我们在后面的章节中讲解。
代码清单 10‑8(6)：跳过以太网帧首部。
代码清单 10‑8(7)：除去以太网帧首部成功，调用etharp_input ()函数将数据包递交到ARP协议去处理。
11.10.2. ARP数据包处理¶
ARP数据包的处理函数为etharp _input()，在这里它完成两个任务：
如果收到的是ARP应答包，说明本机之前发出的ARP请求包有了回应，就根据应答包更新自身的ARP缓存表；
2. 如果收到的是ARP请求包，如果包中的目标IP地址与主机IP地址匹配，除了记录原主机的IP与MAC地址， 更新自身的ARP表外，还要向源主机发送一个ARP应答包。但是如果包中目标IP地址与主机IP地址不匹配， 则尽可能记录源主机的IP与MAC地址，更新自身的ARP表，并丢弃该请求包，为什么说是尽可能呢， 因为主机的ARP缓存表是有限的，不可能记录太多的ARP表项，所以在有空闲的表项时才记录，如果没有空闲的表项， ARP觉得它自己已经尽力了，也记不住那么多表项。
etharp_input()函数的源码具体见代码清单 10‑9。
代码清单 10‑9 etharp_input()源码
void
etharp_input(struct pbuf *p, struct netif *netif)
{
struct etharp_hdr *hdr;
ip4_addr_t sipaddr, dipaddr;
u8_t for_us;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("netif != NULL", (netif != NULL), return;);
hdr = (struct etharp_hdr *)p->payload;
/* 判断ARP包的合法性 */
if ((hdr->hwtype != PP_HTONS(LWIP_IANA_HWTYPE_ETHERNET)) ||
(hdr->hwlen != ETH_HWADDR_LEN) ||
(hdr->protolen != sizeof(ip4_addr_t)) ||
(hdr->proto != PP_HTONS(ETHTYPE_IP))) (1)
{
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_WARNING,
("etharp_input: packet dropped, wrong hw type, hwlen, proto,protolen or ethernet type(%"U16_F"/%"U16_F"/%"U16_F"/%"U16_F")\n",hdr->hwtype,(u16_t)hdr->hwlen, hdr->proto, (u16_t)hdr->protolen));
ETHARP_STATS_INC(etharp.proterr);
ETHARP_STATS_INC(etharp.drop);
pbuf_free(p);
return;
}
ETHARP_STATS_INC(etharp.recv);
//拷贝源IP地址与目标IP地址
IPADDR_WORDALIGNED_COPY_TO_IP4_ADDR_T(&sipaddr, &hdr->sipaddr); (2)
IPADDR_WORDALIGNED_COPY_TO_IP4_ADDR_T(&dipaddr, &hdr->dipaddr); (3)
/* 看看主机网卡是否配置了IP地址 */
if (ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) (4)
{
for_us = 0;
}
else
{
/* 判断目标IP地址与主机IP地址是否一样 */
for_us = (u8_t)ip4_addr_cmp(&dipaddr, netif_ip4_addr(netif)); (5)
}
/* 更新ARP缓存表 */
etharp_update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr->shwaddr), (6)
for_us ? ETHARP_FLAG_TRY_HARD : ETHARP_FLAG_FIND_ONLY);
/* 更新完毕，根据包的类型处理 */
switch (hdr->opcode) (7)
{
/* ARP request? */
case PP_HTONS(ARP_REQUEST): (8)
/* ARP请求包 */
LWIP_DEBUGF (ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_input: incoming ARP request\n"));
/* 是请求自己的 */
if (for_us)
{
/* 做出回应 */
etharp_raw(netif,
(struct eth_addr *)netif->hwaddr, &hdr->shwaddr,
(struct eth_addr *)netif->hwaddr, netif_ip4_addr(netif),
&hdr->shwaddr, &sipaddr,
ARP_REPLY); (9)
/* 不是给自己的 */
}
else if (ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) (10)
{
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_input: we are unconfigured, ARP request ignored.\n"));
}
else (11)
{
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_input: ARP request was not for us.\n"));
}
break;
case PP_HTONS(ARP_REPLY): (12)
/* 对于ARP应答包*/
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_input: incoming ARP reply\n"));
break;
default:
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_input: ARP unknown opcode type %"S16_F"\n",
lwip_htons(hdr->opcode)));
ETHARP_STATS_INC(etharp.err); (13)
break;
}
/* 释放内存 */
pbuf_free(p); (14)
}
代码清单 10‑9(1)：判断ARP包的合法性，已经类型是否为以太网、 硬件地址长度是否为ETH_HWADDR_LEN、协议地址长度是否为sizeof(ip4_addr_t)以及协议是否为ARP协议， 如果都满足则表示ARP包合法。
代码清单 10‑9(2)：拷贝源IP地址到sipaddr变量中，因为在ARP包中的IP地址字段并不是对齐的， 不能直接使用，所以需要拷贝到临时变量，方便直接操作。
代码清单 10‑9(3)：同理拷贝目标IP地址到dipaddr变量中。
代码清单 10‑9(4)：看看主机网卡是否配置了IP地址，如果没有配置，将for_us变量设置为0，表示不是给主机自己的ARP包。
代码清单 10‑9(5)：调用ip4_addr_cmp()函数判断目标IP地址与主机IP地址是否一样， 如果一样则返回1，将for_us变量设置为1，反之设置为0。
代码清单 10‑9(6)：调用etharp_update_arp_entry()函数更新ARP缓存表，这个操作有点特殊，我们稍后讲解。
代码清单 10‑9(7)：更新完毕，根据包的类型处理，即根据ARP数据包的op字段进行处理。
代码清单 10‑9(8)：对于ARP请求包，首先要判断一下是否是给主机自己的，如果是则要回应，否则就直接丢弃即可。
代码清单 10‑9(9)：是请求自己的，调用etharp_raw()函数作出应答。
代码清单 10‑9(10)：如果不是给自己的，原因有两种，一种是网卡自身尚未配置IP地址，这样子就只打印相关调试信息。
代码清单 10‑9(11)：另一种是ARP包中的目标IP地址与主机IP地址不符合，也不用做出回应，直接丢弃即可，并输出相关调试信息。
代码清单 10‑9(12)：对于ARP应答包，理论上应该更新ARP缓存表的， 毕竟发出去的ARP请求包得到回应，但是在前面已经更新了缓存表了，此处就不用重复更新了。
代码清单 10‑9(13)：对于其他情况，直接返回错误代码。
代码清单 10‑9(14)：释放内存。
11.10.3. 更新ARP缓存表¶
etharp_update_arp_entry()函数是用于更新ARP缓存表的，它会在收到一个ARP数据包的时候被调用， 它会先查找一个ARP表项，如果没有找到这个ARP表项的记录，就会去新建一个ARP表项， 然后重置ARP表项的参数（状态、网卡。IP地址与对应的MAC地址以及生存时间等）， 然后检测ARP表项中是否挂载数据包，如果有就将这些数据包发送出去，其源码具体见 代码清单10_10。
代码清单 10‑10 etharp_update_arp_entry()函数源码
static err_t
etharp_update_arp_entry(struct netif *netif, (1)
const ip4_addr_t *ipaddr, (2)
struct eth_addr *ethaddr, (3)
u8_t flags) (4)
{
s16_t i;
/* non-unicast address? */
if (ip4_addr_isany(ipaddr) ||
ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) ||
ip4_addr_ismulticast(ipaddr)) (5)
{
return ERR_ARG;
}
/* 查找或者创建ARP表项，并且返回索引值 */
i = etharp_find_entry(ipaddr, flags, netif); (6)
/* 如果索引值不合法，更新ARP表项失败 */
if (i < 0)
{
return (err_t)i;
}
/* 设置表项状态为ETHARP_STATE_STABLE */
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE; (7)
/* 记录网卡 */
arp_table[i].netif = netif; (8)
/* 插入ARP索引树 */
mib2_add_arp_entry(netif, &arp_table[i].ipaddr); (9)
/* 更新缓存表中的MAC地址 */
SMEMCPY(&arp_table[i].ethaddr, ethaddr, ETH_HWADDR_LEN); (10)
/* 重置生存时间 */
arp_table[i].ctime = 0; (11)
/* 如果表项上与未发送的数据包，那就将这些数据包发送出去 */
#if ARP_QUEUEING
while (arp_table[i].q != NULL)
{
struct pbuf *p;
/* 定义q指向ARP表项中的数据包缓存队列 */
struct etharp_q_entry *q = arp_table[i].q; (12)
/* 指向下一个数据包节点 */
arp_table[i].q = q->next; (13)
/* 获取pbuf数据包 */
p = q->p; (14)
/* 释放MEMP_ARP_QUEUE类型的内存块 */
memp_free(MEMP_ARP_QUEUE, q); (15)
#else /* ARP_QUEUEING */
if (arp_table[i].q != NULL)
{
struct pbuf *p = arp_table[i].q; (16)
arp_table[i].q = NULL;
#endif /* ARP_QUEUEING */
/* 发送缓存队列的数据包 */
ethernet_output(netif, p,
(struct eth_addr *)(netif->hwaddr),
ethaddr,
ETHTYPE_IP); (17)
/* 释放pbuf数据包的内存空间 */
pbuf_free(p); (18)
}
return ERR_OK;
}
代码清单 10‑10(1)：对应表项中的网卡。
代码清单 10‑10(2)：对应表项中的IP地址。
代码清单 10‑10(3)：对应表项中的MAC地址。
代码清单 10‑10(4)：表项的更新方式，动态表项有两种方式， 分别为ETHARP_FLAG_TRY_HARD和ETHARP_FLAG_FIND_ONLY。 前者表示无论如何都要创建一个表项，如果ARP缓存表中没有空间了，那就需要回收较老的表项， 将他们删除，然后建立新的表项。而如果是后者，就让内核尽量更新表项，如果ARP缓存表中没有空间了， 那么也无能为力，实在是添加不了新的表项。
代码清单 10‑10(5)：IP地址验证，ARP数据包中的目标IP地址不能是广播、多播地址。
代码清单 10‑10(6)：调用etharp_find_entry()函数查找或者创建ARP表项，并且返回索引值， 如果索引值不合法，表示更新ARP表项失败，该函数比较复杂，此处就不做过多讲解， 想要了解的可以在源码中查看该函数。
代码清单 10‑10(7)：设置表项状态为ETHARP_STATE_STABLE。
代码清单 10‑10(8)：记录网卡信息。
代码清单 10‑10(9)：插入ARP索引树。
代码清单 10‑10(10)：更新表项中的MAC地址。
代码清单 10‑10(11)：重置表项的生存时间。
代码清单 10‑10(12)：如果表项上与未发送的数据包，那就将这些数据包发送出去。 这里通过宏定义ARP_QUEUEING采用哪种方式发送数据包，如果定义了缓存数据包队列， 那就需要将队列上的所有数据包发送出去，定义q指向ARP表项中的数据包缓存队列。
代码清单 10‑10(13)：指向下一个数据包节点。
代码清单 10‑10(14)：获取pbuf数据包。
代码清单 10‑10(15)：释放MEMP_ARP_QUEUE类型的内存块。
代码清单 10‑10(16)：此处是单个数据包挂载到表项上，无需太多操作，直接将数据包获取到，然后发送出去即可。
代码清单 10‑10(17)：调用ethernet_output()函数发送挂载在表项上的数据包。
代码清单 10‑10(18)：释放pbuf数据包的内存空间。
整个ARP处理的流程示意图具体见 图10_9。
图 10‑9ARP协议处理的流程示意图
11.11. 数据包发送流程¶
经过学习，我们知道一个数据包从底层传递进来的流程是怎么样的，如果是ARP数据包就会给ARP去处理，如果是IP数据报就使用ip4_input()函数传递到上层，这些处理在后面的章节讲解。那么如果上层协议想要发送数据，也肯定需要经过ARP协议将IP地址映射为MAC地址才能完成发送操作，IP数据报通过ip4_output()函数将上层数据包传递到ARP协议处理，关于IP协议是怎么样传递的我们暂且不说，那么ARP通过etharp_output()函数接收到IP数据报后，就会进行发送，ARP会先从数据包中进行分析，看看这个IP数据报是单播数据包还是多播或者是广播数据包，然后进行不同的处理：
对于多播或者是广播数据包，这种处理就很简单，直接将数据包丢给网卡就行了（调用ethernet_output()函数）。
对于单播包的处理稍微麻烦一点，ARP协议需要根据IP地址找到对应的MAC地址， 然后才能正确发送，如果找不到MAC地址的话，还要延迟发送数据包，ARP协议首先会创建一个ARP表项， 然后将数据包挂到ARP表项对应的缓存队列上，与此同时会发出一个ARP请求包，等待目标主机的回应后再发送IP数据报。
此处需要注意的是，对于PBUFF_ERF、PBUF_POOL、PBUF_RAM类型的数据包是不允许直接挂到ARP表项对应的缓存队列上的，因为此时内核需要等待目标主机的ARP应答，而这段时间里，这些数据有可能会被上层改动，这是不允许的，所以LwIP需要将这些pbuf数据包拷贝到新的空间，等待发送。
11.11.1. etharp_output()函数¶
etharp_output()函数被IP层的ip4_output()函数调用，IP层传递一个数据包到ARP中， etharp_output()会根据数据包的目标IP地址选择不同的处理，其源码具体见 代码清单10_11。
代码清单 10‑11 etharp_output()源码
const struct eth_addr ethbroadcast =
{{0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff}};
const struct eth_addr ethzero = {{0, 0, 0, 0, 0, 0}};
/** 24位IANA IPv4多播OUI为01-00-5e： */
#define LL_IP4_MULTICAST_ADDR_0 0x01
#define LL_IP4_MULTICAST_ADDR_1 0x00
#define LL_IP4_MULTICAST_ADDR_2 0x5e
err_t etharp_output
(struct netif *netif, struct pbuf *q, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
const struct eth_addr *dest;
struct eth_addr mcastaddr;
const ip4_addr_t *dst_addr = ipaddr;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ASSERT("netif != NULL", netif != NULL);
LWIP_ASSERT("q != NULL", q != NULL);
LWIP_ASSERT("ipaddr != NULL", ipaddr != NULL);
if (ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif))
{
/* 如果是广播数据包，目标MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF */
dest = (const struct eth_addr *)ðbroadcast; (1)
/* multicast destination IP address? */
}
else if (ip4_addr_ismulticast(ipaddr))
{
/* 如果是多播数据包，目标MAC地址设置为多播地址：01-00-5E-XX-XX-XX*/
mcastaddr.addr[0] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_0;
mcastaddr.addr[1] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_1;
mcastaddr.addr[2] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_2;
mcastaddr.addr[3] = ip4_addr2(ipaddr) & 0x7f;
mcastaddr.addr[4] = ip4_addr3(ipaddr);
mcastaddr.addr[5] = ip4_addr4(ipaddr);
dest = &mcastaddr; (2)
}
else
{
/* 如果是单播目标地IP地址 */
netif_addr_idx_t i;
/* 判断目标IP地址是否与主机处于同一子网上，
如果不是，则修改IP地址 */
if (!ip4_addr_netcmp(ipaddr, netif_ip4_addr(netif),
netif_ip4_netmask(netif)) &&
!ip4_addr_islinklocal(ipaddr)) (3)
{
#if LWIP_AUTOIP
struct ip_hdr *iphdr =
LWIP_ALIGNMENT_CAST(struct ip_hdr *, q->payload);
if (!ip4_addr_islinklocal(&iphdr->src))
#endif
{
#ifdef LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW
dst_addr = LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW(netif, ipaddr);
if (dst_addr == NULL)
#endif
{
/* 判断一下网关地址是否有效 */
if (!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_gw(netif))) (4)
{
/* 发送到默认网关，让网关进行转发 */
dst_addr = netif_ip4_gw(netif);
/* 没有默认网关可用 */
}
else
{
/* 返回错误 */
return ERR_RTE;
}
}
}
}
/* 遍历ARP缓存表 */
for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; i++)
{
if ((arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE) &&
(arp_table[i].netif == netif) &&
(ip4_addr_cmp(dst_addr, &arp_table[i].ipaddr)))
{
/* 如果找到目标IP地址对应的表项，直接发送 */
ETHARP_SET_ADDRHINT(netif, i);
return etharp_output_to_arp_index(netif, q, i); (5)
}
}
/* 如果没有找到与目标IP地址对应的ARP表项 */
return etharp_query(netif, dst_addr, q); (6)
}
/* 对于多播、广播数据包，直接能得到对应的MAC地址，可以进行发送*/
return ethernet_output(netif, q,
(struct eth_addr *)(netif->hwaddr), dest, ETHTYPE_IP); (7)
}
代码清单 10‑11(1)：如果是广播数据包，目标MAC地址设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF。
代码清单 10‑11(2)：如果是多播数据包，目标MAC地址设置为多播地址：01-00-5E-XX-XX-XX。
此处简单补充一下单播包、广播包与多播包的相关知识：
单播包：顾名思义，就是一对一通信，发送的目标主机IP地址是唯一的，就像是人们之间的对话一样，一个人对另外一个人说话。
多播包：“多播”可以理解为一个人向多个人（但不是在场的所有人）说话，比如在一个大餐厅中，一个人说话只能让一桌人知道，而其他桌上的人并不知道说了什么。同理的，主机发送的多播包只能让某些满足条件的目标主机接收到。
广播包：而广播就是类似于用大喇叭进行广播通知，在场的所有人都能知道。广播包是让所有处于同一子网的主机都能接收到数据包。
代码清单 10‑11(3)：如果是单播目标地IP地址，首先判断目标IP地址是否与主机处于同一子网上， 如果不是，则修改IP地址，IP地址为网关的IP地址，目的是为了让网关进行转发。
代码清单 10‑11(4)：判断一下网关地址是否有效，如果有效，则发送到默认网关，让网关进行转发，没有默认网关可用则返回错误代码。
代码清单 10‑11(5)：遍历ARP缓存表，如果找到目标IP地址对应的表项， 调用etharp_output_to_arp_index()函数直接发送，该函数源码具体见代码清单 10‑12。
代码清单 10‑11(6)：如果没有找到与目标IP地址对应的ARP表项， 需要调用etharp_query()函数进行发送，这个函数在稍后讲解，具体见10.11.3 小节。
代码清单 10‑11(7)：对于多播、广播数据包，直接能得到对应的MAC地址，可以进行发送。
11.11.2. etharp_output_to_arp_index()函数¶
这个函数是ARP找到了IP地址与MAC地址对应的表项，从而能直接进行发送，除此之外，ARP还需要更新ARP表项，我们知道，LwIP中的ARP表项生存时间是5分钟（300秒），那么在APP表项的生存时间即将到来的时候，ARP需要更新表项，为什么要在发送数据的时候更新呢？因为如果不发送数据，那就没必要更新ARP表项，这样子表项在生存时间到来的时候就会被系统删除，回收ARP表项空间，而一直使用的ARP表项需要是谁更新，更新的方式也有两种：
如果ARP表项还差15秒就过期了，LwIP会通过广播的方式发送一个ARP请求包，试图得到主机的回应。
而如果ARP表项还差30秒就过期了，那么LwIP会通过单播的方式向目标主机发送一个请求包并试图得到回应。
在这种情况下发送ARP请求包的时候，表项的状态会由ETHARP_STATE_STABLE变成ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1，如果目标主机回应了，那就更新ARP缓存表中的表项。
当然，如果还没那么快到期的话，那就直接调用ethernet_output()函数将数据包传递给网卡进行发送。 函数源码具体见 代码清单10_12
代码清单 10‑12 etharp_output_to_arp_index()函数源码
#define ARP_MAXAGE 300
/* 即将到期的时间 */
#define ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST (ARP_MAXAGE - 30)
#define ARP_AGE_REREQUEST_USED_BROADCAST (ARP_MAXAGE - 15)
static err_t
etharp_output_to_arp_index(struct netif *netif,
struct pbuf *q,
netif_addr_idx_t arp_idx)
{
LWIP_ASSERT("arp_table[arp_idx].state >= ETHARP_STATE_STABLE",
arp_table[arp_idx].state >= ETHARP_STATE_STABLE);
/* 如果arp表项即将过期：LwIP会重新请求它，
但只有当它的状态是ETHARP_STATE_STABLE才能请求*/
if (arp_table[arp_idx].state == ETHARP_STATE_STABLE)
{
/* 还差15秒到期 */
if (arp_table[arp_idx].ctime >= ARP_AGE_REREQUEST_USED_BROADCAST)
{
/* 使用广播方式发出请求包 */
if (etharp_request(netif, &arp_table[arp_idx].ipaddr) == ERR_OK)
{
arp_table[arp_idx].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1;
}
}
/* 还差30秒到期 */
else if (arp_table[arp_idx].ctime >= ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST)
{
/* 发出单播请求（持续15秒），以防止不必要的广播 */
if (etharp_request_dst(netif,
&arp_table[arp_idx].ipaddr,
&arp_table[arp_idx].ethaddr) == ERR_OK)
{
arp_table[arp_idx].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1;
}
}
}
return ethernet_output(netif, q,
(struct eth_addr *)(netif->hwaddr),
&arp_table[arp_idx].ethaddr, ETHTYPE_IP);
}
11.11.3. etharp_query()函数¶
如果在ARP缓存表中没有找到目标IP地址对应的表项，那么ARP协议就会创建一个表项， 这也是ARP协议的核心处理，对于刚创建的表项，它在初始化网卡信息后会被设置为ETHARP_STATE_PENDING状态， 与此同时一个ARP请求包将被广播出去，这个时候的表项是无法发送数据的， 只有等待到目标主机回应了一个ARP应答包才能发送数据，那么这些数据在这段时间中将被挂到表项的等待队列上， 在ARP表项处于ETHARP_STATE_STABLE状态完成数据的发送， 函数源码具体见 代码清单10_13。
代码清单 10‑13 etharp_query()函数
err_t
etharp_query(struct netif *netif,
const ip4_addr_t *ipaddr,
struct pbuf *q)
{
struct eth_addr *srcaddr = (struct eth_addr *)netif->hwaddr;
err_t result = ERR_MEM;
int is_new_entry = 0;
s16_t i_err;
netif_addr_idx_t i;
/* 检是否为单播地址 */
if (ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) ||
ip4_addr_ismulticast(ipaddr) ||
ip4_addr_isany(ipaddr))
{
return ERR_ARG;
}
/* 在ARP缓存中查找表项，如果没有则尝试创建表项 */
i_err = etharp_find_entry(ipaddr, ETHARP_FLAG_TRY_HARD, netif);(1)
/* 没有发现表项或者没有创建表项成功 */
if (i_err < 0)
{
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_query: could not create ARP entry\n"));
if (q)
{
LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE,
("etharp_query: packet dropped\n"));
ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);
}
return (err_t)i_err; //返回错误代码
}
LWIP_ASSERT("type overflow", (size_t)i_err < NETIF_ADDR_IDX_MAX);
//找到对应的表项或者创建表项成功
i = (netif_addr_idx_t)i_err;
/* 将新表项标记为待处理 */
if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY)
{
is_new_entry = 1;
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_PENDING;
/* 记录网络接口 */
arp_table[i].netif = netif; (2)
}
/* 是否有新的表项 */
if (is_new_entry || (q == NULL)) (3)
{
/* 发送ARP请求包*/
result = etharp_request(netif, ipaddr);
if (result != ERR_OK)
{
/* 无法发送ARP请求 */
}
if (q == NULL)
{
return result; (4)
}
}
LWIP_ASSERT("q != NULL", q != NULL);
/* 表项状态是否稳定 */
if (arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE)
{
ETHARP_SET_ADDRHINT(netif, i);
/* 发送数据包 */
result = ethernet_output(netif, q,
srcaddr,
&(arp_table[i].ethaddr),
ETHTYPE_IP); (5)
}
/* 如果表项是ETHARP_STATE_PENDING状态 */
else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING)
{
/* 将给数据包'q'排队 */
struct pbuf *p;
int copy_needed = 0;
/* 如果q包含必须拷贝的pbuf，请将整个链复制到一个新的PBUF_RAM */
p = q;
while (p)
{
LWIP_ASSERT("no packet queues allowed!",
(p->len != p->tot_len) || (p->next == 0));
if (PBUF_NEEDS_COPY(p)) (6)
{
//需要拷贝
copy_needed = 1;
break;
}
p = p->next;
}
if (copy_needed)
{
/* 将整个数据包复制到新的pbuf中 */
p = pbuf_clone(PBUF_LINK, PBUF_RAM, q); (7)
}
else
{
/* 引用旧的pbuf就足够了 */
p = q;
pbuf_ref(p);
}
if (p != NULL)
{
/* 如果使用队列 */
#if ARP_QUEUEING
struct etharp_q_entry *new_entry;
/* 分配一个新的arp队列表项 */ (8)
new_entry = (struct etharp_q_entry *)memp_malloc(MEMP_ARP_QUEUE);
if (new_entry != NULL)
{
unsigned int qlen = 0;
new_entry->next = 0;
new_entry->p = p;
if (arp_table[i].q != NULL)
{
/* 队列已经存在，将新数据包插入队列后面 */
struct etharp_q_entry *r;
r = arp_table[i].q;
qlen++;
while (r->next != NULL)
{
r = r->next;
qlen++;
}
r->next = new_entry; (9)
}
else
{
/* 队列不存在，数据包就是队列的第一个节点 */
arp_table[i].q = new_entry; (10)
}
#if ARP_QUEUE_LEN
if (qlen >= ARP_QUEUE_LEN)
{
struct etharp_q_entry *old;
old = arp_table[i].q;
arp_table[i].q = arp_table[i].q->next;
pbuf_free(old->p);
memp_free(MEMP_ARP_QUEUE, old);
}
#endif
result = ERR_OK;
}
else
{
/* 申请内存失败 */
pbuf_free(p);
result = ERR_MEM;
}
#else
/* 如果只是挂载单个数据包，那么始终只为每个ARP请求排队一个数据包，
就需要释放先前排队的数据包 */
if (arp_table[i].q != NULL)
{
pbuf_free(arp_table[i].q); (11)
}
arp_table[i].q = p;
result = ERR_OK;
#endif
}
else
{
ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);
result = ERR_MEM;
}
}
return result;
}
代码清单 10‑13(1)(2)：函数的处理逻辑是很清晰的，首先调用etharp_find_entry()函数在ARP缓存表中查找表项， 如果没有找到就尝试创建表项并且返回表项的索引，当然ARP缓存表中可能存在表项， 可能为新创建的表项（ETHARP_STATE_EMPTY），也可能为ETHARP_STATE_PENDING或者ETHARP_STATE_STABLE状态。 如果是新创建的表项，那么表项肯定没有其他信息，LwIP就会初始化一些信息，如网卡， 然后就将表项设置为ETHARP_STATE_PENDING状态。
代码清单 10‑13(3)：如果表项是刚创建的或者数据包是空的，那么就会调用etharp_request()函数发送一个ARP请求包。
代码清单 10‑13(4)：如果数据包是空的，直接返回结果
代码清单 10‑13(5)：如果表项的状态大于等于 ETHARP_STATE_STABLE，表示表项已经是稳定状态了，就调用ethernet_output()函数发送数据包。
代码清单 10‑13(6)：通过宏定义PBUF_NEEDS_COPY(p)对数据包的类型进行判断， 如果需要拷贝则将变量copy_needed设置为1，表示需要拷贝。
代码清单 10‑13(7)：将整个数据包复制到新的pbuf中。
代码清单 10‑13(8)：如果ARP_QUEUEING宏定义为1，则表示使用队列，那么LwIP会分配一个新的ARP数据包队列节点，然后插入队列中。
代码清单 10‑13(9)：如果队列已经存在，将新数据包插入队列后面。
代码清单 10‑13(10)：如果队列不存在，数据包就是队列的第一个节点。
代码清单 10‑13(11)：如果只是挂载单个数据包，就需要释放先前排队的数据包，然后再挂载新的数据包。
挂载的这些数据在等待到目标主机产生ARP应答的时候会发送出去，此时的发送就是延时了，所以在没有ARP表项的时候，发送数据会产生延时，在指定等待ARP应答时间内如果等不到目标主机的应答，那么这个表项将被系统回收，同时数据也无法发送出去。
上层数据包通过ARP协议进行发送数据的流程示意图具体见 图10_10。
图 10‑10数据包通过ARP协议发送流程图
整个ARP协议运作示意图具体见 图10_11。
图 10‑11整个ARP协议运作示意图