前面一节重点说了ARP缓存表以及如何对其进行相关操作,关于ARP,一共想说三个函数,前面已经讲过了两个。
最后要讲的一个函数是update_arp_entry
,该函数用于更新ARP缓存表中的表项或者在缓存表中插入一个新的表项。该函数会在收到一个IP数据包或ARP数据包后被调用。该函数原型如下,
static err_t
update_arp_entry(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct eth_addr *ethaddr, u8_t flags)
其中重要的两个参数ipaddr
和ethaddr
分别对应的ip
地址和mac
地址,函数利用这两个地址去更新或插入ARP表项。由于这个函数代码量较小,这里就列出源码来讲解,注意这个源码是经过处理的,已经去掉了编译选项、源码注释、调试输出信息等非重点部分。
static err_t
update_arp_entry(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct eth_addr *ethaddr, u8_t flags)
{
s8_t i; // 两个变量,不解释
u8_t k;
i = find_entry(ipaddr, flags); // 查找或新建一个ARP表项,返回其索引值
if (i < 0) return (err_t)i; // 如果为不合法的索引值,则更新缓存表失败
arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE; // 否则将对应表项状态改为stable
arp_table[i].netif = netif; // 记录下网络接口
k = ETHARP_HWADDR_LEN; // 这一段是更新缓存表项中的MAC地址
while (k > 0) {
k--;
arp_table[i].ethaddr.addr[k] = ethaddr->addr[k];
}
arp_table[i].ctime = 0; // 生存时间值置0
#if ARP_QUEUEING //该ARP表项上有未发送的队列,则把这些队列发送出去
while (arp_table[i].q != NULL) {
// 只要缓冲链表中海有数据则循环
struct pbuf *p;
struct etharp_q_entry *q = arp_table[i].q; // 记录下缓冲链表表头
arp_table[i].q = q->next; // 缓冲链表表头指向下一个节点
p = q->p; // 取得记录下的缓冲链表表头指向的数据包
memp_free(MEMP_ARP_QUEUE, q); // 释放记录下的缓冲链表表头
etharp_send_ip(netif, p, (struct eth_addr*)(netif->hwaddr), ethaddr); // 发送数据包
pbuf_free(p); // 释放数据包缓存空间
}
#endif
return ERR_OK;
}
从源程序中可以看出,update_arp_entry
的流程如下:先通过调用find_entry
找到对应ipaddr
对应的表项,并设置相应的arp
表项的成员(主要是state, netif, ethaddr, cttime
),最后如果定义了ARP_QUEUEING
,并且这个arp
表项上有未发送的数据包的话,则把这些数据全部发送出去。虽然比较啰嗦,但是还是我们还是根据不同的ipaddr
经过find_entry
执行后,来看看update_arp_entry
运行的几种不同情况。
首先可以肯定的是,update_arp_entry
的两个参数ipaddr
和ethaddr
必是互相匹配的,因为它们是从源主机发来的IP包或ARP包中解析出来的,代表了源主机的MAC地址和IP地址。find_entry
利用ipaddr
作为参数执行后,返回一个ARP表项索引。如果该表项处于empty
状态,那么该表项现在一定是新创建的,此时设置该表项为stable
状态并设置该表项其他字段值后即结束。如果该表项是处于pending
状态,由于此时已经有了和ipaddr
匹配的MAC地址返回,所以该表项也被设置为stable
状态并同时设置该表项其他字段值。如果该表项是处于stable
状态,其实此时只需要将ctime
的值复位即可,但是LWIP为了节省代码量,它还是选择像上面的情况一样做相同的处理,这样虽然有些步骤是多余的,但并不影响函数功能。最后都会检查该表项是否还有数据需要发送,如果有,则将所有数据包发送出去。
现在是时候从宏观上来看看到底ARP是怎么一个工作流程,以及它在整个LWIP协议栈当中发挥的重要作用。。
该图简洁明了的解释了基本所有LWIP的数据包接收与发送的全过程。我们可以看到几个熟悉的身影:etharp_query、etharp_request、update_arp_entry
。在前面已经讲过了的!
ARP从功能上来说可以简单的分成两个部分:当有数据包输入时,更新arp表,如果是ip包则递交给ip层,如果是arp包,则针对不同的arp包类型做相应的响应;当向目的ip发送一个数据包的时候,需要通过arp实现ip到MAC地址的映射,必要时,需要发送广播数据包获得目标机器的MAC地址。
LWIP利用netif.input
指向的函数接收以太网数据包,通常这个函数是ethernet_input
。注意,这里并不是说ethernet_input
直接与底层硬件交互接收数据包,而是更底层的函数接收到数据包后将数据包递交给ethernet_input
,ethernet_input
再对其进行处理。
以太网的帧类型可以是:IP,ARP,甚至可以是pppoe
, wlan
等。这里主要分析IP和ARP两种类型的数据包。ethernet_input
根据以太网首部的类型字段判断收到的数据包的类型,如果是IP包,则将该包递交给etharp_ip_input
,如果是ARP包,则将该包递交给etharp_arp_input
。
对于ip类型的数据包,etharp_ip_input
首先检查是否开启了ETHARP_TRUST_IP_MAC
这个选项,如果开启了就是要用这个帧中的信息和update_arp_entry
函数来更新arp表(利用帧首部的源mac地址和帧数据中ip报文中的源ip地址),然后丢弃以太网帧首部,将IP报文通过ip_input
函数递交给ip层。
对于arp类型的数据包,etharp_arp_input
函数首先利用数据包头信息更新arp表的内容,
然后再判断该ARP数据包的类型,如果是ARP请求包,则首先判断这个包是不是给自己的,如果是给自己的,则在原有包的基础上重组一个ARP应答包发送出去(注意此处并没有重新分配一个pbuf
,而是借用了原来的缓冲结构)。如果不是给自己的,则直接忽略。如果是ARP应答包,主要的工作就是更新arp表,但是这一步已经在arp包刚进来的时候就处理了,所以这里不需要再重复做,这样ARP包的处理也完毕。
LWIP利用netif.output
指向的函数发送IP数据包,通常这个函数是etharp_output
。注意,这里并不是说etharp_output
直接与底层硬件交互发送数据包,而是将数据包做相应的处理,最终递交给netif.linkoutput
函数来发送的。
etharp_output
函数接收IP层要发送的数据包,并将数据包发送出去。由于是发送ip数据包,所以函数一开始需要增加缓冲区大小,大小为以太网的数据首部的大小。然后检查ip地址,可以分为广播包,多播包,单播包(单播包又分为是局域网内部还是局域网外面)。
广播包:判断目的IP地址是不是为全1,或者是全0(老版本中使用的),如果是广播包则目的IP的MAC地址不需要查询arp表,直接将MAC地址设置为全1发送即可,即MAC六个字节值为0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff
。
多播包:判断目的ip地址是不是d类地址,即0xexxxxxxx
,如果是多播的话,mac地址也是确定的,即将MAC地址01-00-5e-00-00-00
的低23位设置为IP地址的低23位。对于以上的两种数据包,etharp_output
直接调用函数etharp_send_ip
将数据包发送出去。
单播包:要比较目的IP和本地IP地址,看是否是局域网内的,不是局域网内的,则将目的IP地址设置为默认网关的地址,然后再统一调用etharp_query
函数将数据包发送出去,注意这些数据包在这种情况下可能被连接在相关ARP表项的发送链表上,等待发送。