基于FPGA的以太網(wǎng)ARP通信測試(一)

主機(jī)與目的主機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信，需要知道目的主機(jī)的MAC地址（物理地址），以太網(wǎng)ARP通信協(xié)議就是用來獲取目的主機(jī)MAC地址的。

ARP協(xié)議

ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析協(xié)議，是根據(jù)IP地址（邏輯地址）獲取MAC地址的一種TCP/IP協(xié)議。

MAC地址在網(wǎng)絡(luò)中表示網(wǎng)卡的ID，每個(gè)網(wǎng)卡都需要并有且僅有一個(gè)MAC地址。源主機(jī)知道目的主機(jī)的IP地址，卻不知道目的主機(jī)的MAC地址。而目的主機(jī)的MAC地址直接被網(wǎng)卡接收和解析，當(dāng)解析到目的MAC地址非本地MAC地址時(shí)，則直接丟棄該包數(shù)據(jù)，因此在通信前需要先獲得目的的MAC地址。

ARP協(xié)議的基本功能就是通過目的設(shè)備的IP地址，查詢目的設(shè)備的MAC地址，以保證通信的順利進(jìn)行。

在獲取到目的MAC地址之后，將目的MAC地址更新至ARP緩存表中，下次通信時(shí)，可以直接從ARP緩存表中獲取，而不用重新獲取。但ARP緩存表會有過期時(shí)間，過期后需要重新通過ARP協(xié)議進(jìn)行獲取。

協(xié)議格式

ARP協(xié)議屬于TCP/IP協(xié)議簇的一種，位于以太網(wǎng)MAC幀格式的數(shù)據(jù)段，ARP數(shù)據(jù)包格式如下圖所示。

硬件類型 （Hardware type）：硬件地址的類型，1表示以太網(wǎng)；

協(xié)議類型 （Protocol type）：要映射的協(xié)議地址類型，ARP協(xié)議的上層協(xié)議為IP協(xié)議，因此該協(xié)議類型為IP協(xié)議，其值為0x0800；

硬件地址長度 （Hardware size）：硬件地址（MAC地址）的長度，以字節(jié)為單位。對于以太網(wǎng)上IP地址的ARP請求或者應(yīng)答來說，該值為6；

協(xié)議地址長度 （Protocol size）：IP地址的長度，以字節(jié)為單位。對于以太網(wǎng)上IP地址的ARP請求或者應(yīng)答來說，該值為4；

OP （Opcode）：操作碼，用于表示該數(shù)據(jù)包為ARP請求或者ARP應(yīng)答。1表示ARP請求，2表示ARP應(yīng)答；

源MAC地址 ：發(fā)送端的硬件地址；

源IP地址 ：發(fā)送端的協(xié)議（IP）地址；

目的MAC地址 ：接收端的硬件地址，在ARP請求時(shí)由于不知道接收端MAC地址，因此該字段為廣播地址，即48’hff_ff_ff_ff_ff_ff；

目的IP地址 ：接收端的協(xié)議（IP）地址。

ARP協(xié)議分為ARP請求和ARP應(yīng)答，源主機(jī)發(fā)起查詢目的MAC地址的報(bào)文稱為ARP請求，目的主機(jī)響應(yīng)源主機(jī)并發(fā)送包含本地MAC地址的報(bào)文稱為ARP應(yīng)答。

ARP請求

當(dāng)源主機(jī)A需要獲取目的主機(jī)B物理地址時(shí)，可以發(fā)送一個(gè)ARP請求報(bào)文，這個(gè)報(bào)文包含了主機(jī)A的MAC地址和IP地址以及主機(jī)B的IP地址。

因?yàn)橹鳈C(jī)A不知道主機(jī)B的物理地址，所以這個(gè)查詢分組會在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行廣播，即ARP請求時(shí)發(fā)送的接收方物理地址為廣播地址，用48hff_ff_ff_ff_ff_ff表示。

主機(jī)A發(fā)起ARP請求，由于發(fā)送的目的MAC地址為廣播地址，所以此時(shí)局域網(wǎng)中的所有主機(jī)都會進(jìn)行接收并處理這個(gè)ARP請求報(bào)文，然后進(jìn)行驗(yàn)證，查看接收方的IP地址是不是自己的地址。是則返回ARP應(yīng)答報(bào)文，不是則不響應(yīng)。

只有驗(yàn)證成功的主機(jī)B才會返回一個(gè)ARP應(yīng)答報(bào)文，這個(gè)應(yīng)答報(bào)文包含主機(jī)B的IP地址和物理地址。

ARP應(yīng)答

主機(jī)B利用收到的ARP請求報(bào)文中的請求方物理地址，以單播的方式直接發(fā)送給主機(jī)A，主機(jī)A將收到的ARP應(yīng)答報(bào)文中的目的MAC地址解析出來，將目的MAC地址和目的IP地址更新至ARP緩存表中。

當(dāng)再次和主機(jī)A通信時(shí)，可以直接從ARP緩存表中獲取，而不用重新發(fā)起ARP請求報(bào)文。

但是ARP緩存表中的表項(xiàng)有過期時(shí)間（一般為20分鐘），過期之后，需要重新發(fā)起ARP請求以獲取目的MAC地址。

以太網(wǎng)協(xié)議

ARP協(xié)議通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，因此需要滿足以太網(wǎng)通信協(xié)議所規(guī)定的格式。如下圖所示，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包就是通過對協(xié)議的封裝來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，即ARP數(shù)據(jù)位于以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)段。

28字節(jié)的ARP數(shù)據(jù)位于以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)段。由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)段最少為46個(gè)字節(jié)，而ARP數(shù)據(jù)包總長度為28個(gè)字節(jié)，因此在ARP數(shù)據(jù)段后面需要填充18個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，以滿足以太網(wǎng)傳輸格式的要求。這個(gè)填充的過程稱為Padding，填充的數(shù)據(jù)可以為任意值，但一般為0。

以太網(wǎng)協(xié)議具體內(nèi)容如上圖所示，其中：

前導(dǎo)碼 （Preamble）：為了實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的正確闡述，物理層使用7個(gè)字節(jié)同步碼（0和1交替（55-55-55-55-55-55-55））實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步；

幀起始界定符 （SFD，Start Frame Delimiter）：使用1個(gè)字節(jié)的SFD（固定值為0xd5）來表示一幀的開始，即后面緊跟著傳輸?shù)木褪且蕴W(wǎng)的幀頭；

目的MAC地址 ：即接收端物理MAC地址，占用6個(gè)字節(jié)；

源MAC地址 ：即發(fā)送端物理MAC地址，占用6個(gè)字節(jié)；

長度/類型 ：上圖中的長度/類型具有兩個(gè)意義，當(dāng)這兩個(gè)字節(jié)的值小于1536（十六進(jìn)制為 0x0600）時(shí)，代表該以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)段的長度；如果這兩個(gè)字節(jié)的值大于1536，則表示該以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)上層協(xié)議；

數(shù)據(jù) ：以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)段長度最小46個(gè)字節(jié)，最大1500個(gè)字節(jié)；

幀檢驗(yàn)序列 （FCS，F(xiàn)rame Check Sequence）：為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，在數(shù)據(jù)的尾部加入了4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC校驗(yàn)）來檢測數(shù)據(jù)是否傳輸錯(cuò)誤。