ARP協(xié)議在TCP協(xié)議棧中的地位

知識回顧

在前面的文章中，我們已經(jīng)介紹了以太網(wǎng)卡的封裝接口，其中主要是以下幾個接口:

netdev_init():初始化網(wǎng)卡的ip地址、mac地址和mtu的值

netdev_receive():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)

netdev_transmit():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)

這幾個接口是我們封裝ARP數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)，最好還是先搞明白原理。

ARP協(xié)議的由來

在上面，我們介紹netdev_receive()函數(shù)的時候，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了以太網(wǎng)幀類型主要分兩大類型，一種是IP數(shù)據(jù)幀，另一種是ARP數(shù)據(jù)幀。也就是說ARP數(shù)據(jù)幀與IP數(shù)據(jù)幀同屬于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀。如下圖:

IP數(shù)據(jù)幀我們知道，是用來傳輸用戶數(shù)據(jù)的。哪ARP數(shù)據(jù)幀有什么用呢?

其實，ARP協(xié)議是用來將目標(biāo)主機的IP地址轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的以太網(wǎng)(MAC)地址的。因為當(dāng)我們的應(yīng)用程序要向目標(biāo)主機發(fā)送信息時，它只知道目標(biāo)主機的IP地址，而IP地址是無法直接用于物理鏈路上傳輸數(shù)據(jù)的，所以需要ARP數(shù)據(jù)幀來把IP地址轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的MAC地址。

我們可以主動發(fā)起ARP查詢幀，在本地建立起IP地址和MAC地址的映射關(guān)系，也必須要及時回復(fù)別人的ARP查詢幀！

ARP報文組織結(jié)構(gòu)

ARP數(shù)據(jù)幀位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的上一層，我們先來了解一下它的報文結(jié)構(gòu)，如下圖:

我們來詳解學(xué)習(xí)一下，里面每個字段所代表的具體含義；

硬件協(xié)議：發(fā)送方想要知道的硬件接口類型，對于以太網(wǎng)接口來說，該值為1

協(xié)議類型：映射的協(xié)議地址類型，我們要把MAC地址映射為IP地址，該值為0x0800

硬件地址長度：對于MAC地址來說，該值為6

協(xié)議地址長度：對于IP地址來說，該值為4

OP：表示ARP數(shù)據(jù)包的具體類型，1為ARP請求，2為ARP應(yīng)答

剩余四個字段的具體含義非常簡單易懂，就不羅列出來講解了。

了解ARP報文組織結(jié)構(gòu)之后，下一步，自然就是用c語言結(jié)構(gòu)體來構(gòu)造這個ARP報文組織，level-ip的ARP報文組織結(jié)構(gòu)體保存在includeethernet.h文件中，如下圖:

這兩個結(jié)構(gòu)體的成員變量，與我們剛才介紹的ARP報文的每個字段是一一對應(yīng)的，這里不再重復(fù)解析。

ARP請求發(fā)送接口

ARP數(shù)據(jù)幀的發(fā)送接口為arp_request()函數(shù)。該函數(shù)保存在src/arp.c文件中。當(dāng)我們在發(fā)送IP數(shù)據(jù)幀時，如果在ARP緩存表中找不到該IP所對應(yīng)的MAC地址時，就會通過廣播的形式，來進(jìn)行ARP請求數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

如下圖:

第8行，動態(tài)申請一個sk_buff來繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲。

第12行，選擇使用哪個網(wǎng)卡來繼續(xù)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送

第13行，在sk_buff中，向前移動arp_ipv4結(jié)構(gòu)體大小的位置，把得到的指針賦值給payload指針

第14行，用網(wǎng)卡(netdev)中記錄的源主機mac地址，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機mac地址(smac)

第15行，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機ip地址(sip)

第16行，用廣播地址(broadcast_hw)，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機mac地址(dmac)

第17行，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機ip地址(dip)

第18行，在sk_buff中，向前移動arp_hdr結(jié)構(gòu)體大小的位置，把得到的指針賦值給arp指針

第19~29行，初始化ARP報文的硬件協(xié)議、協(xié)議類型、報文類型等等，htons()函數(shù)為進(jìn)行數(shù)據(jù)的大小端切換。到這里ARP報文就初始化好了

第31行，調(diào)用netdev_transmit()函數(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

ARP數(shù)據(jù)讀取接口

ARP數(shù)據(jù)接收接口為arp_rcv()函數(shù)。該函數(shù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀讀取接口netdev_receive()函數(shù)中調(diào)用。我們來了解一下這個函數(shù)，如下圖:

第8行,從讀取到的數(shù)據(jù)中獲取arp數(shù)據(jù)幀

第10~12行，獲取arp數(shù)據(jù)幀中的硬件類型、協(xié)議類型、報文類型

第25~28行，獲取源主機和目的主機的ip地址

第30行，繼續(xù)arp緩存表數(shù)據(jù)的更新

第32行，判斷該arp數(shù)據(jù)幀，是不是發(fā)送給本機的

第37行，如果arp數(shù)據(jù)幀中的IP地址還沒有緩存在本機的ARP緩存表中的話，那么把這個IP地址插入到ARP緩存表中保存

第42行，判斷ARP數(shù)據(jù)幀的報文類型

第43、44行，如果報文類型為ARP請求幀，那么調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送

ARP應(yīng)答幀發(fā)送接口

在上面我們介紹ARP數(shù)據(jù)讀取接口時，當(dāng)我們?nèi)绻邮盏搅薃RP請求幀，那么我們要調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送,我們來學(xué)習(xí)一下這個函數(shù)。

如下圖:

第6行，獲取arp報文的數(shù)據(jù)

第8行，使用skb_reserve()函數(shù)來調(diào)整sk_buff中數(shù)據(jù)指針的位置，表示以太網(wǎng)首部和ARP報文的數(shù)據(jù)都還沒有填充

第9行，使用skb_push()函數(shù)，參數(shù)為ARP_HDR_LEN + ARP_DATA_LEN，表示填充了ARP報文

第11~28行，將該ARP請求數(shù)據(jù)包的源主機信息和目的主機信息交換位置，并把操作字段op置為2

第30行，選擇發(fā)送網(wǎng)卡

第32行，調(diào)用netdev_transmit()函數(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

總結(jié)

通過我們這邊文章，我們已經(jīng)明白了ARP協(xié)議的報文結(jié)構(gòu)、ARP數(shù)據(jù)包的發(fā)送、ARP數(shù)據(jù)包的接收處理等等。知道了ARP協(xié)議在TCP協(xié)議棧中的重要地位。不過文中對ARP緩存表沒有做深入介紹，這是因為該知識點比較基礎(chǔ)，主要是對鏈表的插入、刪除等操作。