uip

uIP的ARP协议代码分析之一ARP请求对于一个设备用的ARP协议而言,重要的东西包括三方面:1.一个本地的IP与MAC地址的缓存表.以有对应的更新和查询操作.2.一个发送ARP请求的函数.3.一个处理ARP回复的函数.下面我们来看uIP中是如何实现的(代码见uip_arp.c:首先,定义一个缓存表的数据结构,99行起:struct arp_entry {u16_t ipaddr[2];struct uip_eth_addr ethaddr;u8_t time;};只有三个项,很简单第一项是ip地址,16*2=4*8位的,保存四个八位组.第二项是MAC地址.第三项是缓存更新时间.下来是ARP请求发送函数:/*-----------------------------------------------------------------------------------*//*** Prepend Ethernet header to an outbound IP packet and see if we need* to send out an ARP request.*为传出的IP包添加以太网头并看是否需要发送ARP请求.* This function should be called before sending out an IP packet. The* function checks the destination IP address of the IP packet to see* what Ethernet MAC address that should be used as a destination MAC* address on the Ethernet.*此函数应该在发送IP包时调用,它会检查IP包的目的IP地址,看看以太网应该使用什么目的MAC地址.* If the destination IP address is in the local network (determined* by logical ANDing of netmask and our IP address), the function* checks the ARP cache to see if an entry for the destination IP* address is found. If so, an Ethernet header is prepended and the* function returns. If no ARP cache entry is found for the* destination IP address, the packet in the uip_buf[] is replaced by* an ARP request packet for the IP address. The IP packet is dropped* and it is assumed that they higher level protocols (e.g., TCP)* eventually will retransmit the dropped packet.*如果目的IP地址是在局域网中(由IP地址与子网掩码的与逻辑决定),函数就会从ARP缓存表中查找有*无对应项.若有,就取对应的MAC地址,加上以太网头,并返回,否则uip_buf[]中的数据包会被替换成一个*目的IP在址的ARP请求.原来的IP包会被简单的仍掉,此函数假设高层协议(如TCP)会最终重传扔掉的包.* If the destination IP address is not on the local network, the IP* address of the default router is used instead.*如果目标IP地址并非一个局域网IP,则会使用默认路由的IP地址.* When the function returns, a packet is present in the uip_buf[]* buffer, and the length of the packet is in the global variable* uip_len.函数返回时,uip_buf[]中已经有了一个包,其长度由uip_len指定.*//*-----------------------------------------------------------------------------------*/voiduip_arp_out(void){struct arp_entry *tabptr;/* Find the destination IP address in the ARP table and constructthe Ethernet header. If the destination IP addres isn't on thelocal network, we use the default router's IP address instead.//在ARP表中找到目的IP地址,构成以太网头.如果目的IP地址不在局域网中,则使用默认路由的IP.If not ARP table entry is found, we overwrite the original IPpacket with an ARP request for the IP address. *///如果ARP表中找不到,则将原来的IP包替换成一个ARP请求./* First check if destination is a local broadcast. 首先检查目标是不是广播*/if(uip_ipaddr_cmp(IPBUF->destipaddr, broadcast_ipaddr)) {memcpy(IPBUF->ethhdr.dest.addr, broadcast_ethaddr.addr, 6);} else {/* Check if the destination address is on the local network. 检查目标地址是否在局域网内 */if(!uip_ipaddr_maskcmp(IPBUF->destipaddr, uip_hostaddr, uip_netmask)) {/* Destination address was not on the local network, so we need touse the default router's IP address instead of the destinationaddress when determining the MAC address. 目的地址不在局域网内,所以保用默认路由器的地址来确在MAC地址*/uip_ipaddr_copy(ipaddr, uip_draddr);} else {/* Else, we use the destination IP address. 否则,使用目标IP地址*/uip_ipaddr_copy(ipaddr, IPBUF->destipaddr);}for(i = 0; i < UIP_ARPTAB_SIZE; ++i) {//这里遍历表,对比目的IP与ARP缓存表中的IP.tabptr = &arp_table;if(uip_ipaddr_cmp(ipaddr, tabptr->ipaddr)) {break;}}if(i == UIP_ARPTAB_SIZE) {/* The destination address was not in our ARP table, so weoverwrite the IP packet with an ARP request. 如果遍历到头没找到,将原IP包替换为ARP请求并返回*/memset(BUF->ethhdr.dest.addr, 0xff, 6);memset(BUF->dhwaddr.addr, 0x00, 6);memcpy(BUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);memcpy(BUF->shwaddr.addr, uip_ethaddr.addr, 6);uip_ipaddr_copy(BUF->dipaddr, ipaddr);uip_ipaddr_copy(BUF->sipaddr, uip_hostaddr);BUF->opcode = HTONS(ARP_REQUEST); /* ARP request. */BUF->hwtype = HTONS(ARP_HWTYPE_ETH);BUF->protocol = HTONS(UIP_ETHTYPE_IP);BUF->hwlen = 6;BUF->protolen = 4;BUF->ethhdr.type = HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP);uip_appdata = &uip_buf[UIP_TCPIP_HLEN + UIP_LLH_LEN];uip_len = sizeof(struct arp_hdr);return;}/* Build an ethernet header. 如果是在局域网中,且在ARP缓存中找到了(如果没找到进行不到这一步,在上面就返回了),则构建以太网头*/memcpy(IPBUF->ethhdr.dest.addr, tabptr->ethaddr.addr, 6);}memcpy(IPBUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);IPBUF->ethhdr.type = HTONS(UIP_ETHTYPE_IP);uip_len += sizeof(struct uip_eth_hdr);}以上内容自325行起.下面再总结一下其基本顺序:用IPBUF->ethhdr.dest.addr来存储目的IP地址,它有可能是局域网内一主机IP,也可能是路由器IP(如果是发往外网,即原来的目的IP不在局域网内),还有可能是广播专用的IP. 先看是不是在广播:如果是广播,将IPBUF->ethhdr.dest.addr设为广播IP.再看是不是在局域网内:如果不是,则将IPBUF->ethhdr.dest.addr设为路由器IP.如果在局域网内,查看是否已经存在于ARP缓存表中:如果不在,将要发送的换成ARP请求,返回.如果已存在,则查找使用查找到的MAC地址为IP包添加以太网头.这里还要解释一些细节问题,主要是:1.如何在IP包上添加以太网头2.如果将IP包替换成ARP请求,ARP请求的格式是什么.3.广播地址这些问题将在二楼来说.将IP包替换成ARP请求部分代码(实际上IP包是放在uip_buf[]里的,这里只是将uip_buf[]填充上ARP请求即可),于uip_arp.c的388行:/* The destination address was not in our ARP table, so weoverwrite the IP packet with an ARP request. */memset(BUF->ethhdr.dest.addr, 0xff, 6);memset(BUF->dhwaddr.addr, 0x00, 6);memcpy(BUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);memcpy(BUF->shwaddr.addr, uip_ethaddr.addr, 6);uip_ipaddr_copy(BUF->dipaddr, ipaddr);uip_ipaddr_copy(BUF->sipaddr, uip_hostaddr);BUF->opcode = HTONS(ARP_REQUEST); /* ARP request. */BUF->hwtype = HTONS(ARP_HWTYPE_ETH);BUF->protocol = HTONS(UIP_ETHTYPE_IP);BUF->hwlen = 6;BUF->protolen = 4;BUF->ethhdr.type = HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP);uip_appdata = &uip_buf[UIP_TCPIP_HLEN + UIP_LLH_LEN];uip_len = sizeof(struct arp_hdr);return;首先解释这里的BUF(于uip_arp.c的116行):#define BUF ((struct arp_hdr *)&uip_buf[0])可见这里的BUF就是uip_buf[],只不过这里将它取做一个struct arp_hdr的结构体:struct arp_hdr {struct uip_eth_hdr ethhdr;u16_t hwtype; //硬件类型u16_t protocol; //协议类型u8_t hwlen;u8_t protolen;u16_t opcode; //操作码struct uip_eth_addr shwaddr; //源以太网地址u16_t sipaddr[2]; //源IP地址struct uip_eth_addr dhwaddr; //目的以太网地址u16_t dipaddr[2]; //目的IP地址};struct uip_eth_hdr {struct uip_eth_addr dest;struct uip_eth_addr src;u16_t type;};这是arp_hdr的第一个成员ethhdr的类型定义,对应图片中的前三项:6+6+2,目的以太网地址,源以太网地址,2字节数据类型(ARP请求和应答为0x0806).struct arp_hdr的第二个成员u16_t hwtype,对应图片中第三项,2字节硬件类型(值为1表示以太网).struct arp_hdr的第三个成员u16_t protocol,对应图片中第四项,2字节要映射的协议地址类型(ip地址为0x0800).struct arp_hdr的第四个成员u8_t hwlen,对应图片中第五项,1字节硬件地址长度(对MAC地址来说为6).struct arp_hdr的第五个成员u8_t protolen,对应图片中第六项,1字节协议地址长度(对IP地址来说为4).struct arp_hdr的第六个成员u16_t opcode,对应图片中第七项,2字节操作码(1 ARP请求，2 ARP应答，3 RARP请求，4 RARP应答，必须字段).struct arp_hdr的第七个成员struct uip_eth_addr shwaddr,对应图片中第八项,6字节源以太网地址.struct arp_hdr的第八个成员u16_t sipaddr[2];,对应图片中第九项,2字节源IP地址.struct arp_hdr的第九个成员struct uip_eth_addr dhwaddr,对应图片中第十项,6字节目标以太网地址.struct arp_hdr的第十个成员u16_t dipaddr[2];,对应图片中第十一项,2字节目标IP地址.上面绿色的表示已经详解的,红字的表示要进一步说明的.这就是一个ARP帧的结构,可以看到,里面的源和目的以太网地址都是重复的.我们再看函数中的代码:memset(BUF->ethhdr.dest.addr, 0xff, 6);memset(BUF->dhwaddr.addr, 0x00, 6);memcpy(BUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);memcpy(BUF->shwaddr.addr, uip_ethaddr.addr, 6);这里四个memset,重复的源和目的以太网地址一起设置了,四个memset对应图片中的1,10,2,8项.但是:对1和10两项,都是源以太网地址,但置的值是不同的,分别为0xff*6和0x00*6.为什么会这样呢?因为他们的用处不一样,见:【相关资料】ARP分组格式(帧格式,报文格式)6+6–以太网的源地址和目的地址，目的地址为全1的为广播地址注意这里说,目的地址为全为1的广播地址.什么意思?当你发送一个ARP请求是,你是想知道一个IP对应的以太网地址(即MAC地址),但是你现在不知道目的主机的以太网地址,你问谁啊?不知道问谁,这种情况下,只能是广播一下了,0xff*6就是广播地址.从图片中可以看到,ARP包是分成两部分的,前6+6+2叫做"以太网首部",它的意义就是"分组是从谁(源地址)发给谁(目的地址)的什么类型(帧类型,请求和应答为0x0806)",第二部分则是内容.来看这个例子:请求帧如下（为了清晰在每行的前面加了字节计数，每行16个字节）：以太网首部（14字节）0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06ARP帧（28字节）0000: 00 010010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 370020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 02填充位（18字节）0020: 00 77 31 d2 50 100030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00以太网首部：目的主机采用广播地址，源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上层协议类型0x0806表示ARP。