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ARP協(xié)議在TCP協(xié)議棧中的地位

FPGA之家 ? 來(lái)源:FPGA之家 ? 作者:FPGA之家 ? 2022-08-17 09:13 ? 次閱讀

知識(shí)回顧

在前面的文章中,我們已經(jīng)介紹了以太網(wǎng)卡的封裝接口,其中主要是以下幾個(gè)接口:

netdev_init():初始化網(wǎng)卡的ip地址、mac地址和mtu的值

netdev_receive():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)

netdev_transmit():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)

這幾個(gè)接口是我們封裝ARP數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ),最好還是先搞明白原理。

ARP協(xié)議的由來(lái)

在上面,我們介紹netdev_receive()函數(shù)的時(shí)候,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了以太網(wǎng)幀類型主要分兩大類型,一種是IP數(shù)據(jù)幀,另一種是ARP數(shù)據(jù)幀。也就是說(shuō)ARP數(shù)據(jù)幀與IP數(shù)據(jù)幀同屬于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀。如下圖:

3b0b12ca-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

IP數(shù)據(jù)幀我們知道,是用來(lái)傳輸用戶數(shù)據(jù)的。哪ARP數(shù)據(jù)幀有什么用呢?

其實(shí),ARP協(xié)議是用來(lái)將目標(biāo)主機(jī)的IP地址轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)(MAC)地址的。因?yàn)楫?dāng)我們的應(yīng)用程序要向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送信息時(shí),它只知道目標(biāo)主機(jī)的IP地址,而IP地址是無(wú)法直接用于物理鏈路上傳輸數(shù)據(jù)的,所以需要ARP數(shù)據(jù)幀來(lái)把IP地址轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的MAC地址。

我們可以主動(dòng)發(fā)起ARP查詢幀,在本地建立起IP地址和MAC地址的映射關(guān)系,也必須要及時(shí)回復(fù)別人的ARP查詢幀!

ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)

ARP數(shù)據(jù)幀位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的上一層,我們先來(lái)了解一下它的報(bào)文結(jié)構(gòu),如下圖:

3b208f9c-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

我們來(lái)詳解學(xué)習(xí)一下,里面每個(gè)字段所代表的具體含義;

硬件協(xié)議:發(fā)送方想要知道的硬件接口類型,對(duì)于以太網(wǎng)接口來(lái)說(shuō),該值為1

協(xié)議類型:映射的協(xié)議地址類型,我們要把MAC地址映射為IP地址,該值為0x0800

硬件地址長(zhǎng)度:對(duì)于MAC地址來(lái)說(shuō),該值為6

協(xié)議地址長(zhǎng)度:對(duì)于IP地址來(lái)說(shuō),該值為4

OP:表示ARP數(shù)據(jù)包的具體類型,1為ARP請(qǐng)求,2為ARP應(yīng)答

剩余四個(gè)字段的具體含義非常簡(jiǎn)單易懂,就不羅列出來(lái)講解了。

了解ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)之后,下一步,自然就是用c語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體來(lái)構(gòu)造這個(gè)ARP報(bào)文組織,level-ip的ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)體保存在includeethernet.h文件中,如下圖:

3b395b30-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量,與我們剛才介紹的ARP報(bào)文的每個(gè)字段是一一對(duì)應(yīng)的,這里不再重復(fù)解析。

ARP請(qǐng)求發(fā)送接口

ARP數(shù)據(jù)幀的發(fā)送接口為arp_request()函數(shù)。該函數(shù)保存在src/arp.c文件中。當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送IP數(shù)據(jù)幀時(shí),如果在ARP緩存表中找不到該IP所對(duì)應(yīng)的MAC地址時(shí),就會(huì)通過(guò)廣播的形式,來(lái)進(jìn)行ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

如下圖:

3b566e46-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

第8行,動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)sk_buff來(lái)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

第12行,選擇使用哪個(gè)網(wǎng)卡來(lái)繼續(xù)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送

第13行,在sk_buff中,向前移動(dòng)arp_ipv4結(jié)構(gòu)體大小的位置,把得到的指針賦值給payload指針

第14行,用網(wǎng)卡(netdev)中記錄的源主機(jī)mac地址,填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機(jī)mac地址(smac)

第15行,填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機(jī)ip地址(sip)

第16行,用廣播地址(broadcast_hw),填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機(jī)mac地址(dmac)

第17行,填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機(jī)ip地址(dip)

第18行,在sk_buff中,向前移動(dòng)arp_hdr結(jié)構(gòu)體大小的位置,把得到的指針賦值給arp指針

第19~29行,初始化ARP報(bào)文的硬件協(xié)議、協(xié)議類型、報(bào)文類型等等,htons()函數(shù)為進(jìn)行數(shù)據(jù)的大小端切換。到這里ARP報(bào)文就初始化好了

第31行,調(diào)用netdev_transmit()函數(shù),進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

ARP數(shù)據(jù)讀取接口

ARP數(shù)據(jù)接收接口為arp_rcv()函數(shù)。該函數(shù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀讀取接口netdev_receive()函數(shù)中調(diào)用。我們來(lái)了解一下這個(gè)函數(shù),如下圖:

3b6b25f2-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png3b8862ca-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

第8行,從讀取到的數(shù)據(jù)中獲取arp數(shù)據(jù)幀

第10~12行,獲取arp數(shù)據(jù)幀中的硬件類型、協(xié)議類型、報(bào)文類型

第25~28行,獲取源主機(jī)和目的主機(jī)的ip地址

第30行,繼續(xù)arp緩存表數(shù)據(jù)的更新

第32行,判斷該arp數(shù)據(jù)幀,是不是發(fā)送給本機(jī)的

第37行,如果arp數(shù)據(jù)幀中的IP地址還沒(méi)有緩存在本機(jī)的ARP緩存表中的話,那么把這個(gè)IP地址插入到ARP緩存表中保存

第42行,判斷ARP數(shù)據(jù)幀的報(bào)文類型

第43、44行,如果報(bào)文類型為ARP請(qǐng)求幀,那么調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送

ARP應(yīng)答幀發(fā)送接口

在上面我們介紹ARP數(shù)據(jù)讀取接口時(shí),當(dāng)我們?nèi)绻邮盏搅薃RP請(qǐng)求幀,那么我們要調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送,我們來(lái)學(xué)習(xí)一下這個(gè)函數(shù)。

如下圖:

3b95b998-1dc1-11ed-ba43-dac502259ad0.png

第6行,獲取arp報(bào)文的數(shù)據(jù)

第8行,使用skb_reserve()函數(shù)來(lái)調(diào)整sk_buff中數(shù)據(jù)指針的位置,表示以太網(wǎng)首部和ARP報(bào)文的數(shù)據(jù)都還沒(méi)有填充

第9行,使用skb_push()函數(shù),參數(shù)為ARP_HDR_LEN + ARP_DATA_LEN,表示填充了ARP報(bào)文

第11~28行,將該ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的源主機(jī)信息和目的主機(jī)信息交換位置,并把操作字段op置為2

第30行,選擇發(fā)送網(wǎng)卡

第32行,調(diào)用netdev_transmit()函數(shù),進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

總結(jié)

通過(guò)我們這邊文章,我們已經(jīng)明白了ARP協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)、ARP數(shù)據(jù)包的發(fā)送、ARP數(shù)據(jù)包的接收處理等等。知道了ARP協(xié)議在TCP協(xié)議棧中的重要地位。不過(guò)文中對(duì)ARP緩存表沒(méi)有做深入介紹,這是因?yàn)樵撝R(shí)點(diǎn)比較基礎(chǔ),主要是對(duì)鏈表的插入、刪除等操作。

審核編輯:彭靜
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原文標(biāo)題:ARP協(xié)議是什么鬼?這一篇源碼分析!

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    <b class='flag-5'>ARP</b><b class='flag-5'>協(xié)議</b>原理是什么

    到底什么是TCP/IP協(xié)議,看完這篇你就明白!

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    的頭像 發(fā)表于 12-09 15:21 ?1740次閱讀
    到底什么是<b class='flag-5'>TCP</b>/IP<b class='flag-5'>協(xié)議</b><b class='flag-5'>棧</b>,看完這篇你就明白!
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