关于LWIP网络协议在嵌入式设备使用越来越广泛,还是要好好学习一下,之前也看过一些资料,总是学了又忘(可能实践的太少了吧!!)。所以本文重新整理一下笔记。共同进步!
(一)ARP基础知识
(1)ARP协议的本质:
ARP协议的基本功能是使用目标主机的IP地址,查询其对应的MAC地址,来进行底层链路上数据包的通信工作。其中,ARP表的功能就是 记录IP地址 与 MAC地址 的对应关系的表格。
在以太网中,ARP数据包与IP数据包是两个独立的部分,他们都是封装在以太网中进行传送的。ARP数据包分为两类一个是ARP请求包,另一个是arp应答包 。
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所谓ARP请求包:就是它是通过 广播 的方式在以太网中进行传输,然后希望能得到目标主机的相应。已知IP地址,请求MAC地址。
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显然,ARP应答包的功能,就是收到ARP请求包的主机,会解析请求包的IP地址与本机IP地址做比较,若符号,则返回一个APR应答包,包含了请求的IP地址与对应的MAC地址。这样,源主机就知道目标主机的MAC地址了,并把它加入到自己的ARP表中。
(2)ARP表的建立过程:
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阶段一:当系统初始化时,ARP表为空。主机会广播自己的 <IP,MAC>,这个数据包叫 无汇报 ARP请求包。其他主机收到后,会把这个数据加入到自己的ARP表中。
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阶段二:当主机要发送一个IP数据包时,要先检查自己的ARP表有没有目标主机的MAC地址?要有,好,直接发送。要没有,就要广播一个ARP请求包,然后其他主机接收后,若和自己匹配,则返回一个ARP应答包。源主机就得到了这个IP对应的MAC地址。 如果该表项的缓冲队列上有未发送的数据,相应的数据会被发送出去(后面结合代码详解)
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阶段三:由于网络硬件状态可能随时改变,所以ARP还需要采用一定的定时机制来保证 缓存表中地址的 有效性。要有定时机制。
(二)lwip中关于ARP的数据结构
etharp.c/h 文件中 实现了ARP协议的全部数据结构和函数定义。主要是ARP缓存表和ARP报文。
(1)ARP表
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ARP表是由缓存表项(entry)组成。LWIP只描述缓存表项的数据结构叫做 etharp_entry 。单个缓存表项的结构如下:
struct etharp_entry { struct etharp_q_entry *q; //**数据包缓冲队列指针**; struct pbuf *q; // ip_addr_t ipaddr; //目标IP地址 struct netif *netif; //对应的网络接口信息 struct eth_addr ethaddr; //目标MAC地址 u8_t state; //该entry 表项的状态 u8_t ctime; //该entry的时间信息 };
- 第一个成员:"*q" 指向缓存表项的数据包缓存队列。因为当主机发送一个IP数据包时候,发现缓存表中并没有对应的MAC地址,那该怎么办呢?于是在得到对应的MAC地址之前,主机会新建立一个缓存表项,然后把要发送的数据 挂在这个缓存队列指针上。当接收到ARP应答包后,再发送出去。
struct etharp_q_entry 结构是一个链表,包含一个*next 指针和一个 指向pbuf 数据包的指针。系统为 etharp_q_entry 结构开辟了一些 MEMP_APR_QUEUE类型的内存池。
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state有四种状态,分别为empty 状态、Pending状态、stable状态、stable状态且发送了一个ARP请求。
初始时,是以数组形式定义了10条ARP表项。这都是空的,没有记录任何信息。
enum etharp_state { ETHARP_STATE_EMPTY = 0, //empty状态 ETHARP_STATE_PENDING, ETHARP_STATE_STABLE, ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING };
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pending状态:不稳定状态,此时只是找到了IP地址,正在寻找MAC地址;
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stable状态:当Pending状态的表项接收到ARP应答后,就会变成stable稳定状态
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stabl_rerequesting状态:系统定时更新ARP表项,当时间到了之后,会向目标主机发送一个ARP请求,来验证表项的有效性,在验证期间就会变成 stable_rerequesting状态。
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ctime 成员:用来计时,系统会删除到时的 ARP表项。内核每5秒一次调用eth_tmr()函数,他会为每个 ARP表项 的ctime 值加1,当改值大于系统规定的值时,就会产生相应的动作。
void etharp_tmr(void) { u8_t i; for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i) { u8_t state = arp_table[i].state; if (state != ETHARP_STATE_EMPTY) //表项不为空,说明被使用。 { arp_table[i].ctime++; if ((arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE) || //表项大于生存时间20分钟 ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) && //达到pending 最大时间10s (arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING))) { etharp_free_entry(i); //删除表项 } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING) { /* Reset state to stable, so that the next transmitted packet will re-send an ARP request. */ arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE; } } } }
(2)ARP报文
1. 前面提到的ARP请求和应答是组装在一个ARP数据包中发送的。如下图所示是一个APR包的组成;
以太网目的地址(MAC) 以太网源地址(MAC) 帧类型 硬件协议 协议类型 硬件地址长度 协议地址长度 OP 发送方以太网地址 发送方IP 接收方以太网地址 接收方IP 6字节 6 2 2 2 1 1 2 6 4 6 4 前面 14个字节是以太网首部,后面28个字节是ARP数据包。
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帧类型:对于ARP包是0X806,对于IP包是0X0800。
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硬件协议:发送方想要知道的硬件接口类型,对于以太网是 1
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协议类型:表示要映射的协议地址类型,为0X0800,代表映射为IP地址
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操作字段op:表示数据包类型。ARP请求包为 1,ARP应答包为2.
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后面字段含义较为明显,不再赘述。
以太网首部用结构eth_hdr表示
struct eth_hdr { PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); //以太网目的地址,6字节 PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); //以太网源地址,6字节。 PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //帧类型 } PACK_STRUCT_STRUCT;
(PACK_STRUCT_FIELD宏定义来禁止编译器自动对齐)
ARP数据包部分用结构etharp_hdr 表示:
struct etharp_hdr { PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); PACK_STRUCT_FIELD(u8_t hwlen); PACK_STRUCT_FIELD(u8_t protolen); PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr); PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr); PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr); PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr); } PACK_STRUCT_STRUCT;
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结合源码,来看看ARP请求包是怎么发送出去的。ARP请求包是 调用etharp_requeset()实现。
etharp_request(struct netif *netif, ip_addr_t *ipaddr) { return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, ðbroadcast, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, &netif->ip_addr, ðzero, ipaddr, ARP_REQUEST); }
好家伙,里面原来是调用是了etharp_raw()。那我们看看etharp_raw()具体实现。
重头戏来了!
/** * @param netif the lwip network interface on which to send the ARP packet * @param ethsrc_addr the source MAC address for the ethernet header * @param ethdst_addr the destination MAC address for the ethernet header * @param hwsrc_addr the source MAC address for the ARP protocol header * @param ipsrc_addr the source IP address for the ARP protocol header * @param hwdst_addr the destination MAC address for the ARP protocol header * @param ipdst_addr the destination IP address for the ARP protocol header * @param opcode the type of the ARP packet * @return ERR_OK if the ARP packet has been sent * ERR_MEM if the ARP packet couldn't be allocated * any other err_t on failure */ err_t etharp_raw(struct netif *netif, const struct eth_addr *ethsrc_addr, const struct eth_addr *ethdst_addr, const struct eth_addr *hwsrc_addr, const ip_addr_t *ipsrc_addr, const struct eth_addr *hwdst_addr, const ip_addr_t *ipdst_addr, const u16_t opcode) { struct pbuf *p; err_t result = ERR_OK; struct eth_hdr *ethhdr; //以太网帧首部结构体指针 struct etharp_hdr *hdr; //ARP数据包结构体指针 /* 先在内存堆中,为ARP包分配空间 */ p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, SIZEOF_ETHARP_PACKET, PBUF_RAM); //14+28个字节 /* 若分配失败,返回err */ if (p == NULL) { return ERR_MEM; } ethhdr = (struct eth_hdr *)p->payload; //ethhdr指向以太网帧首部区域 hdr = (struct etharp_hdr *)((u8_t*)ethhdr + SIZEOF_ETH_HDR); //hdr 指向arp数据包首部区域 hdr->opcode = htons(opcode); //填写op字段。 下面是继续填写数据包中字段: /* Write the ARP MAC-Addresses */ ETHADDR16_COPY(&hdr->shwaddr, hwsrc_addr); ETHADDR16_COPY(&hdr->dhwaddr, hwdst_addr); /* Write the Ethernet MAC-Addresses */ ETHADDR16_COPY(ðhdr->src, ethsrc_addr); IPADDR2_COPY(&hdr->sipaddr, ipsrc_addr); IPADDR2_COPY(&hdr->dipaddr, ipdst_addr); hdr->hwtype = PP_HTONS(HWTYPE_ETHERNET); hdr->proto = PP_HTONS(ETHTYPE_IP); /* set hwlen and protolen */ hdr->hwlen = ETHARP_HWADDR_LEN; hdr->protolen = sizeof(ip_addr_t); ethhdr->type = PP_HTONS(ETHTYPE_ARP); //以太网帧类型ARP包 /* 发送!!send ARP query */ result = netif->linkoutput(netif, p); /* 释放!free ARP query packet */ pbuf_free(p); p = NULL; return result; }
到此为止,总结就是 先分配内存,然后填充这个内存中各个字段的数据信息(保存在pbuf 中),然后再调用netif->linkoutput()底层数据包发送函数,最后再释放掉pbuf。