基于FPGA的以太网ARP通信测试(一)

主机与目的主机进行以太网通信，需要知道目的主机的MAC地址（物理地址），以太网ARP通信协议就是用来获取目的主机MAC地址的。

ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，是根据IP地址（逻辑地址）获取MAC地址的一种TCP/IP协议。

MAC地址在网络中表示网卡的ID，每个网卡都需要并有且仅有一个MAC地址。源主机知道目的主机的IP地址，却不知道目的主机的MAC地址。而目的主机的MAC地址直接被网卡接收和解析，当解析到目的MAC地址非本地MAC地址时，则直接丢弃该包数据，因此在通信前需要先获得目的的MAC地址。

ARP协议的基本功能就是通过目的设备的IP地址，查询目的设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

在获取到目的MAC地址之后，将目的MAC地址更新至ARP缓存表中，下次通信时，可以直接从ARP缓存表中获取，而不用重新获取。但ARP缓存表会有过期时间，过期后需要重新通过ARP协议进行获取。

协议格式

ARP协议属于TCP/IP协议簇的一种，位于以太网MAC帧格式的数据段，ARP数据包格式如下图所示。

硬件类型 （Hardware type）：硬件地址的类型，1表示以太网；

协议类型 （Protocol type）：要映射的协议地址类型，ARP协议的上层协议为IP协议，因此该协议类型为IP协议，其值为0x0800；

硬件地址长度 （Hardware size）：硬件地址（MAC地址）的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或者应答来说，该值为6；

协议地址长度 （Protocol size）：IP地址的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或者应答来说，该值为4；

OP （Opcode）：操作码，用于表示该数据包为ARP请求或者ARP应答。1表示ARP请求，2表示ARP应答；

源MAC地址 ：发送端的硬件地址；

源IP地址 ：发送端的协议（IP）地址；

目的MAC地址 ：接收端的硬件地址，在ARP请求时由于不知道接收端MAC地址，因此该字段为广播地址，即48’hff_ff_ff_ff_ff_ff；

目的IP地址 ：接收端的协议（IP）地址。

ARP协议分为ARP请求和ARP应答，源主机发起查询目的MAC地址的报文称为ARP请求，目的主机响应源主机并发送包含本地MAC地址的报文称为ARP应答。

ARP请求

当源主机A需要获取目的主机B物理地址时，可以发送一个ARP请求报文，这个报文包含了主机A的MAC地址和IP地址以及主机B的IP地址。

因为主机A不知道主机B的物理地址，所以这个查询分组会在网络层中进行广播，即ARP请求时发送的接收方物理地址为广播地址，用48hff_ff_ff_ff_ff_ff表示。

主机A发起ARP请求，由于发送的目的MAC地址为广播地址，所以此时局域网中的所有主机都会进行接收并处理这个ARP请求报文，然后进行验证，查看接收方的IP地址是不是自己的地址。是则返回ARP应答报文，不是则不响应。

只有验证成功的主机B才会返回一个ARP应答报文，这个应答报文包含主机B的IP地址和物理地址。

ARP应答

主机B利用收到的ARP请求报文中的请求方物理地址，以单播的方式直接发送给主机A，主机A将收到的ARP应答报文中的目的MAC地址解析出来，将目的MAC地址和目的IP地址更新至ARP缓存表中。

当再次和主机A通信时，可以直接从ARP缓存表中获取，而不用重新发起ARP请求报文。

但是ARP缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），过期之后，需要重新发起ARP请求以获取目的MAC地址。

以太网协议

ARP协议通过以太网进行传输，因此需要满足以太网通信协议所规定的格式。如下图所示，以太网的数据包就是通过对协议的封装来实现数据的传输，即ARP数据位于以太网帧格式的数据段。

28字节的ARP数据位于以太网帧格式的数据段。由于以太网数据段最少为46个字节，而ARP数据包总长度为28个字节，因此在ARP数据段后面需要填充18个字节的数据，以满足以太网传输格式的要求。这个填充的过程称为Padding，填充的数据可以为任意值，但一般为0。

以太网协议具体内容如上图所示，其中：

前导码 （Preamble）：为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用7个字节同步码（0和1交替（55-55-55-55-55-55-55））实现数据的同步；

帧起始界定符 （SFD，Start Frame Delimiter）：使用1个字节的SFD（固定值为0xd5）来表示一帧的开始，即后面紧跟着传输的就是以太网的帧头；

目的MAC地址 ：即接收端物理MAC地址，占用6个字节；

源MAC地址 ：即发送端物理MAC地址，占用6个字节；

长度/类型 ：上图中的长度/类型具有两个意义，当这两个字节的值小于1536（十六进制为 0x0600）时，代表该以太网中数据段的长度；如果这两个字节的值大于1536，则表示该以太网中的数据属于哪个上层协议；

数据 ：以太网中的数据段长度最小46个字节，最大1500个字节；

帧检验序列 （FCS，Frame Check Sequence）：为了确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了4个字节的循环冗余校验码（CRC校验）来检测数据是否传输错误。