ARP协议在TCP协议栈中的地位

 

知识回顾

在前面的文章中，我们已经介绍了以太网卡的封装接口，其中主要是以下几个接口:

netdev_init():初始化网卡的ip地址、mac地址和mtu的值

netdev_receive():发送以太网帧数据

netdev_transmit():发送以太网帧数据

这几个接口是我们封装ARP数据接口的基础，最好还是先搞明白原理。

ARP协议的由来

在上面，我们介绍netdev_receive()函数的时候，已经发现了以太网帧类型主要分两大类型，一种是IP数据帧，另一种是ARP数据帧。也就是说ARP数据帧与IP数据帧同属于网络层的数据帧。如下图:

IP数据帧我们知道，是用来传输用户数据的。哪ARP数据帧有什么用呢?

其实，ARP协议是用来将目标主机的IP地址转换为对应的以太网(MAC)地址的。因为当我们的应用程序要向目标主机发送信息时，它只知道目标主机的IP地址，而IP地址是无法直接用于物理链路上传输数据的，所以需要ARP数据帧来把IP地址转化为对应的MAC地址。

我们可以主动发起ARP查询帧，在本地建立起IP地址和MAC地址的映射关系，也必须要及时回复别人的ARP查询帧！

ARP报文组织结构

ARP数据帧位于以太网数据帧的上一层，我们先来了解一下它的报文结构，如下图:

我们来详解学习一下，里面每个字段所代表的具体含义；

硬件协议：发送方想要知道的硬件接口类型，对于以太网接口来说，该值为1

协议类型：映射的协议地址类型，我们要把MAC地址映射为IP地址，该值为0x0800

硬件地址长度：对于MAC地址来说，该值为6

协议地址长度：对于IP地址来说，该值为4

OP：表示ARP数据包的具体类型，1为ARP请求，2为ARP应答

剩余四个字段的具体含义非常简单易懂，就不罗列出来讲解了。

了解ARP报文组织结构之后，下一步，自然就是用c语言结构体来构造这个ARP报文组织，level-ip的ARP报文组织结构体保存在includeethernet.h文件中，如下图:

这两个结构体的成员变量，与我们刚才介绍的ARP报文的每个字段是一一对应的，这里不再重复解析。

ARP请求发送接口

ARP数据帧的发送接口为arp_request()函数。该函数保存在src/arp.c文件中。当我们在发送IP数据帧时，如果在ARP缓存表中找不到该IP所对应的MAC地址时，就会通过广播的形式，来进行ARP请求数据包的发送。

如下图:

第8行，动态申请一个sk_buff来继续发送数据的存储。

第12行，选择使用哪个网卡来继续数据帧的发送

第13行，在sk_buff中，向前移动arp_ipv4结构体大小的位置，把得到的指针赋值给payload指针

第14行，用网卡(netdev)中记录的源主机mac地址，填充arp-ipv4结构体中的源主机mac地址(smac)

第15行，填充arp-ipv4结构体中的源主机ip地址(sip)

第16行，用广播地址(broadcast_hw)，填充arp-ipv4结构体中的目的主机mac地址(dmac)

第17行，填充arp-ipv4结构体中的目的主机ip地址(dip)

第18行，在sk_buff中，向前移动arp_hdr结构体大小的位置，把得到的指针赋值给arp指针

第19~29行，初始化ARP报文的硬件协议、协议类型、报文类型等等，htons()函数为进行数据的大小端切换。到这里ARP报文就初始化好了

第31行，调用netdev_transmit()函数，进一步构建以太网数据帧发送

ARP数据读取接口

ARP数据接收接口为arp_rcv()函数。该函数在以太网数据帧读取接口netdev_receive()函数中调用。我们来了解一下这个函数，如下图:

第8行,从读取到的数据中获取arp数据帧

第10~12行，获取arp数据帧中的硬件类型、协议类型、报文类型

第25~28行，获取源主机和目的主机的ip地址

第30行，继续arp缓存表数据的更新

第32行，判断该arp数据帧，是不是发送给本机的

第37行，如果arp数据帧中的IP地址还没有缓存在本机的ARP缓存表中的话，那么把这个IP地址插入到ARP缓存表中保存

第42行，判断ARP数据帧的报文类型

第43、44行，如果报文类型为ARP请求帧，那么调用arp_reply()函数进行ARP应答帧的发送

ARP应答帧发送接口

在上面我们介绍ARP数据读取接口时，当我们如果接收到了ARP请求帧，那么我们要调用arp_reply()函数进行ARP应答帧的发送,我们来学习一下这个函数。

如下图:

第6行，获取arp报文的数据

第8行，使用skb_reserve()函数来调整sk_buff中数据指针的位置，表示以太网首部和ARP报文的数据都还没有填充

第9行，使用skb_push()函数，参数为ARP_HDR_LEN + ARP_DATA_LEN，表示填充了ARP报文

第11~28行，将该ARP请求数据包的源主机信息和目的主机信息交换位置，并把操作字段op置为2

第30行，选择发送网卡

第32行，调用netdev_transmit()函数，进一步构建以太网数据帧发送

总结

通过我们这边文章，我们已经明白了ARP协议的报文结构、ARP数据包的发送、ARP数据包的接收处理等等。知道了ARP协议在TCP协议栈中的重要地位。不过文中对ARP缓存表没有做深入介绍，这是因为该知识点比较基础，主要是对链表的插入、删除等操作。　　

      审核编辑：彭静