【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

时间：2022-11-02 10:06:08

目录

前言

主要简述TCPIP协议族相关的。

ARP协议源码在etharp.c和etharp.h中，也是本次笔记的主要内容。

ARP源码实现的重要数据结构：

  • ARP缓存表。
  • ARP报文。

原文：李柱明博客

8.1 IP地址与MAC地址

TCP/IP协议的网络层有自己的IP地址。

单看网络层，传输数据包时只需要知道目标主机的IP地址即可。

但是网络层数据包下传到链路层时，链路层需要知道下一个节点的MAC地址，才能发包。

为了实现网络层对MAC地址无感，又能实现数据包收发，就需要把IP地址和MAC地址绑定。

一个网卡，有IP地址，而网卡对接物理设备时，物理设备有MAC地址，可以把IP地址和网卡设备MAC地址绑定。

而有时候，IP地址可能是动态的，即是当前网卡设备根据需求被赋予不同的IP，所以IP地址与MAC地址映射也需要动态才能更好地把网络层和链路层分割。

8.2 ARP协议简介

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

主机A知道主机B的ip地址，但是在二层链路，也就是数据链路层，是通过mac地址进行转发的，通过ARP协议实现IP和MAC地址绑定。

ARP协议有静态获取和动态获取：

  • 静态获取：即是手动配置ARP映射表。
  • 动态获取：主机通过ARP协议主机获取、主机维护ARP映射表。

【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

8.3 ARP协议报文

ARP请求和应答分组的格式如图：
【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

以太网首部：

  • 目的MAC（6）：链路层的数据帧的下一个目标结点设备的MAC。当携带ARP请求报文时，以太网目的地址MAC为广播地址：0xFFFFFF。
  • 源MAC（6）：当前设备的MAC。
  • 帧类型（2）：为0x0806时，表示ARP报文。

ARP报文：

  • 硬件类型（2）：硬件地址的类型。

    • 为1即表示以太网地址。
    • 其它还能表示令牌环地址等。

  • 协议类型（2）：表示硬件地址要映射的协议地址类型。

    • 0x0800表示IP地址。
    • 其它还能表示ICMP/IGMP等。

  • 硬件地址长度（1）：硬件地址的长度，以字节为单位。

    • 以太网上IP地址的ARP请求或应答：该字段为MAC地址的长度，6。

  • 协议地址长度（1）：

    • 以太网上IP地址的ARP请求或应答：该字段为IP地址长度，4。

  • OP字段（2）：操作字段。

    • 1：ARP请求。
    • 2：ARP应答。
    • 3：RARP请求。
    • 4：RARP应答。

  • 发送端以太网地址（6）。

  • 发送端IP地址（4）。

  • 目的以太网地址（6）。

  • 目的IP地址（4）。

小笔记：

  • 看到上述的报文简述后，会发现以太网的数据帧首部和ARP请求数据报中都有发送端的硬件地址。这个很正常，因为两者所处的OSI层级不一样，前者是链路层处理的数据帧头需要的硬件地址。后者是网络层处理的ARP请求数据报中的重要信息。
  • ARP请求有些信息会留空，如ARP请求时，目的端的硬件地址不需要填充。而协议中保留，是为了实现ARP请求和ARP应答的报文字段一致。

ARP简要交互：

对于一个ARP请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。

当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2（ARP应答），最后把它发送回去。

ARP交互报文例子图，wireshark分析：
【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

8.4 ARP缓存表

8.4.1 ARP缓存表简介

每台主机或路由器在其内存中具有一个ARP缓存表（ARP table），这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系。

网络层的IP数据包需要经过链路层转发时，可以直接查询缓存表是否有这个IP映射的MAC。

如果有，目标链路层数据帧的目标MAC就直接使用这个MAC，就能转发了。

如果没有，通过ARP协议，往链路层局域网内广播一下，询问下有没有这个IP对应的结点设备，如果有就把这个IP对应的链路层设备的MAC返回到这个主机，然后这个主机的链路层使用这个MAC发送数据帧出去。而且可以把这个MAC及其对应的IP保存到自己的ARP缓存表中，方便下次直接使用。当然，这个映射也有过期检查，需要超时机制维护。

8.4.2 LWIP中的缓存表

lwip的缓存表：static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE];

ARP_TABLE_SIZE默认为10，即是默认能缓存10条ARP映射记录。

8.4.3 ARP缓存表数据结构

struct etharp_entry：

struct etharp_entry {
#if ARP_QUEUEING
  /* 指向此ARP表项上挂起的数据包队列的指针. */
  struct etharp_q_entry *q;
#else /* ARP_QUEUEING */
  /* 指向此ARP表项上的单个挂起的数据包队列的指针 */
  struct pbuf *q;
#endif /* ARP_QUEUEING */
  /* 目标IP地址 */
  ip4_addr_t ipaddr;
  /* 当前ARP映射记录对应网卡信息 */
  struct netif *netif;
  /* 目标IP对应的MAC地址 */
  struct eth_addr ethaddr;
  /* 当前netry的生存时间 */
  u16_t ctime;
  /* 当前netry的状态信息 */
  u8_t state;
};

【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

8.4.4 ARP缓存表数据缓冲队列

struct etharp_q_entry *q;：

这个字段用于指向缓存表的数据包缓冲队列。

在IP层发送一个数据包时，会先在ARP映射表中查找与目的IP地址对应的MAC地址，这样才能封装以太网帧，才能在链路层把数据包发送出去。

但是如果IP层发送一个数据包时，在ARP映射表中查不到对应的硬件地址MAC，就发送一个ARP请求包，在请求过程中，把这个IP层的数据包缓存到这个队列q先，直到请求成功后，获取这个IP层数据包IP对应的MAC地址或请求失败为止。

对于PBUFF_ERF、PBUF_POOL、PBUF_RAM类型的数据包是不允许直接挂到ARP entry的挂起缓存队列上的，因为内核等待目标主机的ARP应答期间，这些数据有可能会被上层改动，所以LwIP需要将这些pbuf数据包拷贝到新的空间，等待发送。

这个队列的数据结构：

  • 在memp.h的MEMP_ARP_QUEUE内存池中有这个数据结构的内存资源。共有MEMP_NUM_ARP_QUEUE个，默认为30个。
#if ARP_QUEUEING
struct etharp_q_entry {
  struct etharp_q_entry *next; /* 下一个节点 */
  struct pbuf *p; /* pbuf */
};
#endif /* ARP_QUEUEING */

8.4.5 ARP缓存表entry状态信息

u8_t state;：

/** ARP states */
enum etharp_state {
  ETHARP_STATE_EMPTY = 0, /* 空闲态 */
  ETHARP_STATE_PENDING, /* pending态 */
  ETHARP_STATE_STABLE, /* 有效态 */
  ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1, /* 有效过渡态1 */
  ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2 /* 有效过渡态2 */
#if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
  , ETHARP_STATE_STATIC /* 静态entry */
#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
};

当前netry的状态信息：

  • ETHARP_STATE_EMPTY：空状态。当前entry资源无效，可以被填充使用。
  • ETHARP_STATE_PENDING：PENDING态。当前entry正在ARP请求，但是还没收到ARP响应。
  • ETHARP_STATE_STABLE：有效态。当前entry记录的IP地址与MAC地址映射有效。
  • ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1：有效过渡态1。就是为了防止entry块过期前频繁发起ARP请求。
  • ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2：有效过渡态2。
  • ETHARP_STATE_STATIC：静态条目。手动配置的ARP映射，一直有效。

当表项是ETHARP_STATE_STABLE的时候又发送一个ARP请求包，那么表项状态会暂时被设置为THARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1，然后被设置为ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2状态，这些是一个过渡状态，当收到ARP应答后，表项又会被设置为ETHARP_STATE_STABLE，这样能保持表项的有效。

比如，每个IP层的数据包都会先遍历ARP缓存表，如果找到有效的条目后，直接使用该条目，然后会继续调用etharp_output_to_arp_index()把数据发送出去，源码如下：

  • 在发送IP包时检查当前被使用的ARP entry是否块过期，如果快过期，需要发起ARP请求更新当前条目，更新有两种级别：

    • ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST：默认在条目超时前30秒，发起单播级别的ARP请求，减少不必要的广播。
    • ARP_AGE_REREQUEST_USED_BROADCAST：默认在条目超时前15秒，发起广播级别的ARP请求。
/* 为避免由于ARP表项超时导致稳定使用的连接中断，需要在ARP表项过期前重新请求，更新ARP缓存表 */
#define ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST   (ARP_MAXAGE - 30)
#define ARP_AGE_REREQUEST_USED_BROADCAST (ARP_MAXAGE - 15)

/* Just a small helper function that sends a pbuf to an ethernet address in the arp_table specified by the index 'arp_idx'. */
static err_t
etharp_output_to_arp_index(struct netif *netif, struct pbuf *q, netif_addr_idx_t arp_idx)
{
  LWIP_ASSERT("arp_table[arp_idx].state >= ETHARP_STATE_STABLE",
              arp_table[arp_idx].state >= ETHARP_STATE_STABLE);
  /* 在entry快过期前，发起ARP请求进行更新。
    为了防止在这段时间频繁发起ARP请求，所以引入有效过渡态。
    这里为有效态才能发起ARP请求。 */
  if (arp_table[arp_idx].state == ETHARP_STATE_STABLE) {
    if (arp_table[arp_idx].ctime >= ARP_AGE_REREQUEST_USED_BROADCAST) {
      /* 使用广播级别（过期前15秒），发起标准ARP请求 */
      if (etharp_request(netif, &arp_table[arp_idx].ipaddr) == ERR_OK) {
        arp_table[arp_idx].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1; /* 更新为有效过渡态1 */
      }
    } else if (arp_table[arp_idx].ctime >= ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST) {
      /* 发出单播ARP请求(过期前30秒)，以防止不必要的广播 */
      if (etharp_request_dst(netif, &arp_table[arp_idx].ipaddr, &arp_table[arp_idx].ethaddr) == ERR_OK) {
        arp_table[arp_idx].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1; /* 更新为有效过渡态1 */
      }
    }
  }
  /* IP层发送数据 */
  return ethernet_output(netif, q, (struct eth_addr *)(netif->hwaddr), &arp_table[arp_idx].ethaddr, ETHTYPE_IP);
}

8.4.6 ARP缓存表超时处理

ARP缓存表每条映射记录都是有有效期的（静态除外），在struct etharp_entry的u16_t ctime;这个字段中记录这点钱entry的生存时间。

ARP超时处理函数是etharp_tmr()，是一个周期定时函数。

相关宏：

ARP_TMR_INTERVAL：该函数的节拍为ARP_TMR_INTERVAL，默认为1000，即是1秒跑一次。

ARP_MAXAGE：用于限制ARP条目最大生存时间，默认为300，且节拍为1秒，所以ARP的entry默认最大生存时间是5分钟。

ARP_MAXPENDING：限制ARP请求响应超时，也是重发ARP请求的次数，默认为5，且节拍为1秒，所以ARP请求响应默认超时为5秒。

/**
 * 清除ARP表中过期的表项
 * 该函数应该每隔ARP_TMR_INTERVAL毫秒(1秒)调用一次，以使ARP表项过期
 */
void
etharp_tmr(void)
{
  int i;

  LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG, ("etharp_timer\n"));
  /* 遍历、删除ARP表中过期的表项 */
  for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i) {
    u8_t state = arp_table[i].state;
    if (state != ETHARP_STATE_EMPTY /* 跳过空闲态的entry */
#if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
        && (state != ETHARP_STATE_STATIC) /* 跳过静态的entry */
#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
       ) {
      arp_table[i].ctime++; /* 记录当前entry的生存时间 */
      if ((arp_table[i].ctime >= ARP_MAXAGE) ||
          ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING)  &&
           (arp_table[i].ctime >= ARP_MAXPENDING))) { /* entry生存时间超时或者ARP请求超时都要清空本entry */
        /* pending or stable entry has become old! */
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG, ("etharp_timer: expired %s entry %d.\n",
                                   arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE ? "stable" : "pending", i));
        /* 清理刚刚过期的条目 */
        etharp_free_entry(i);
      } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1) {
        /* 过渡态1更新到过渡态2，为了防止上层在两秒能发起多次ARP更新请求 */
        arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2;
      } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2) {
        /* 恢复到有效态。允许ARP */
        arp_table[i].state = ETHARP_STATE_STABLE;
      } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) {
        /* 还没收到ARP响应，重发ARP请求 */
        etharp_request(arp_table[i].netif, &arp_table[i].ipaddr);
      }
    }
  }
}

8.4.7 ARP缓存表entry更新

能触发ARP缓存表entry更新的情况：

  1. ARP超时处理。把过期或者ARP请求超时的arp entry删除。

  2. IP层发送数据。经过ARP协议时：

    • arp entry更新：在对应arp entry快过期前发起ARP请求（更新arp entry）。
    • arp entry新建：ARP缓存表中没有找到对应entry时，新建一个。

新建arp entry逻辑：

调用etharp_find_entry()函数获取一个entry。

该函数的参数u8_t flags;表示申请arp entry资源的方式：

  • ETHARP_FLAG_TRY_HARD：允许覆盖已有arp entry。

    • 在需要新建arp entry，且没有发现空闲的arp entry时，强制覆盖一条。优先被覆盖的顺序：empty entry > oldest stable entry > oldest pending entry without queued packets > oldest pending entry with queued packets。

  • ETHARP_FLAG_FIND_ONLY：只读模式。如果ARP缓存表中没有匹配IP（和网卡）的arp entry，则返回失败，数据包处理终止。

8.5 ARP协议超时机制框图

【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

8.6 ARP收发报文数据流图

【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

8.7 ARP报文组包源码实现

8.7.1 ARP报文数据结构

/** the ARP message, see RFC 826 ("Packet format") */
struct etharp_hdr {
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); /* 硬件类型 */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); /* 协议类型 */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t  hwlen); /* 硬件地址长度 */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t  protolen); /* 协议地址长度 */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); /* 操作字段 */
  PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr shwaddr); /* 源硬件地址 */
  PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned sipaddr); /* 源协议地址 */
  PACK_STRUCT_FLD_S(struct eth_addr dhwaddr); /* 目标硬件地址 */
  PACK_STRUCT_FLD_S(struct ip4_addr_wordaligned dipaddr); /* 目标协议地址 */
} PACK_STRUCT_STRUCT;

8.7.2 ARP报文组建发送函数（基函数）

ARP请求包是通过etharp_raw()函数进行组包和发送的，然后通过封装该函数得出不同需求的ARP请求函数供给上层使用。

/**
 * Send a raw ARP packet (opcode and all addresses can be modified)
 *
 * @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
 */
static 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 ip4_addr_t *ipsrc_addr,
           const struct eth_addr *hwdst_addr, const ip4_addr_t *ipdst_addr,
           const u16_t opcode)
{
  struct pbuf *p;
  err_t result = ERR_OK;
  struct etharp_hdr *hdr;

  LWIP_ASSERT("netif != NULL", netif != NULL);

  /* 链路层组包，为ARP报文申请内存资源 */
  p = pbuf_alloc(PBUF_LINK, SIZEOF_ETHARP_HDR, PBUF_RAM);
  if (p == NULL) { /* 内存资源申请失败 */
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
                ("etharp_raw: could not allocate pbuf for ARP request.\n"));
    ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);
    return ERR_MEM;
  }
  LWIP_ASSERT("check that first pbuf can hold struct etharp_hdr",
              (p->len >= SIZEOF_ETHARP_HDR));

  hdr = (struct etharp_hdr *)p->payload;
  LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_raw: sending raw ARP packet.\n"));
  hdr->opcode = lwip_htons(opcode); /* 操作字段 */

  LWIP_ASSERT("netif->hwaddr_len must be the same as ETH_HWADDR_LEN for etharp!",
              (netif->hwaddr_len == ETH_HWADDR_LEN));

  SMEMCPY(&hdr->shwaddr, hwsrc_addr, ETH_HWADDR_LEN); /* 源MAC字段 */
  SMEMCPY(&hdr->dhwaddr, hwdst_addr, ETH_HWADDR_LEN); /* 目标MAC字段 */
  IPADDR_WORDALIGNED_COPY_FROM_IP4_ADDR_T(&hdr->sipaddr, ipsrc_addr); /* 源IP字段 */
  IPADDR_WORDALIGNED_COPY_FROM_IP4_ADDR_T(&hdr->dipaddr, ipdst_addr); /* 目标IP字段 */

  hdr->hwtype = PP_HTONS(LWIP_IANA_HWTYPE_ETHERNET); /* 硬件类型 */
  hdr->proto = PP_HTONS(ETHTYPE_IP); /* 协议类型 */
  hdr->hwlen = ETH_HWADDR_LEN; /* 硬件地址长度 */
  hdr->protolen = sizeof(ip4_addr_t); /* 协议地址长度 */

  /* 发送ARP包 */

#if LWIP_AUTOIP
  /* 如果我们源IP为本地链路的IP，说明本ARP报文为ARP探测包，用于检查当前链路这个目标IP是否被占用了。所以需要用以太网帧的目标MAC需要设置为广播MAC(参见RFC3927第2.5节最后一段)*/
  if (ip4_addr_islinklocal(ipsrc_addr)) {
    ethernet_output(netif, p, ethsrc_addr, &ethbroadcast, ETHTYPE_ARP); /* 发送以太网帧 */
  } else
#endif /* LWIP_AUTOIP */
  { /* 非ARP探测包，可按指定MAC封装以太网首部的目标MAC */
    ethernet_output(netif, p, ethsrc_addr, ethdst_addr, ETHTYPE_ARP); /* 发送以太网帧 */
  }
  /* lwip状态记录 */
  ETHARP_STATS_INC(etharp.xmit);
  /* 释放当前ARP报文资源 */
  pbuf_free(p);
  p = NULL;
  return result;
}

8.7.3 发送ARP请求包

etharp_request_dst()：

  • 发起ARP请求。
  • 可指定目标MAC。
/**
 * Send an ARP request packet asking for ipaddr to a specific eth address.
 * Used to send unicast request to refresh the ARP table just before an entry times out.
 *
 * @param netif the lwip network interface on which to send the request
 * @param ipaddr the IP address for which to ask
 * @param hw_dst_addr the ethernet address to send this packet to
 * @return ERR_OK if the request has been sent
 *         ERR_MEM if the ARP packet couldn't be allocated
 *         any other err_t on failure
 */
static err_t
etharp_request_dst(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr, const struct eth_addr *hw_dst_addr)
{
  return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, hw_dst_addr,
                    (struct eth_addr *)netif->hwaddr, netif_ip4_addr(netif), &ethzero,
                    ipaddr, ARP_REQUEST); /* ARP请求 */
}

etharp_request_dst()：

  • 发起ARP标准请求包。（广播包）
/**
 * Send an ARP request packet asking for ipaddr.
 *
 * @param netif the lwip network interface on which to send the request
 * @param ipaddr the IP address for which to ask
 * @return ERR_OK if the request has been sent
 *         ERR_MEM if the ARP packet couldn't be allocated
 *         any other err_t on failure
 */
err_t
etharp_request(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
  LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_request: sending ARP request.\n"));
  return etharp_request_dst(netif, ipaddr, &ethbroadcast);
}

8.7.4 发送ARP IP探测包

etharp_acd_probe()：

  • 发起ARP IP探测。
  • 用于发送探测消息进行地址冲突检测。
/**
 * Send an ARP request packet probing for an ipaddr.
 * Used to send probe messages for address conflict detection.
 *
 * @param netif the lwip network interface on which to send the request
 * @param ipaddr the IP address to probe
 * @return ERR_OK if the request has been sent
 *         ERR_MEM if the ARP packet couldn't be allocated
 *         any other err_t on failure
 */
err_t
etharp_acd_probe(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
  return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, &ethbroadcast,
                    (struct eth_addr *)netif->hwaddr, IP4_ADDR_ANY4, &ethzero,
                    ipaddr, ARP_REQUEST);
}

8.7.5 发送ARP IP宣告包

etharp_acd_announce()：

  • 发起ARP IP宣告。
  • 用于发送地址冲突检测的公告消息。
/**
 * Send an ARP request packet announcing an ipaddr.
 * Used to send announce messages for address conflict detection.
 *
 * @param netif the lwip network interface on which to send the request
 * @param ipaddr the IP address to announce
 * @return ERR_OK if the request has been sent
 *         ERR_MEM if the ARP packet couldn't be allocated
 *         any other err_t on failure
 */
err_t
etharp_acd_announce(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
  return etharp_raw(netif, (struct eth_addr *)netif->hwaddr, &ethbroadcast,
                    (struct eth_addr *)netif->hwaddr, ipaddr, &ethzero,
                    ipaddr, ARP_REQUEST);
}

8.8 数据包发送分析

8.8.1 数据发包处理简述（ARP相关）

主要分析ARP协议层的处理。

IP层数据包通过ip4_output()函数传递到ARP协议处理。通过ARP协议获得目标IP主机的MAC地址才能封装以太网帧，在链路层转发。

etharp_output()收到IP层发来的数据包后按一下逻辑分支处理：

  • 对于广播或者多播的数据包：调用ethernet_output()函数直接把数据包丢给网卡即可。

    • MAC的多播地址范围：01:00:5E:00:00:00 —— 01:00:5E:7F:FF:FF

  • 对于单播数据包：

    • 遍历ARP缓存表：遍历时，可以从当前网卡上次发送数据包使用的arp entry开始查起，找到就调用etharp_output_to_arp_index()把IP数据包转交给链路层转发。

      • etharp_output_to_arp_index()概述里面会更新维护ARP缓存表当前arp entry。

    • 发起ARP请求：如果缓存表中没有当前IP数据包目标IP映射的MAC地址，就需要调用etharp_query()，把IP数据包转交给ARP协议处理。

      • etharp_query()会发起ARP请求，在ARP请求过程中，把这些IP层的数据包保存到当前ARP条目的entry的挂起缓存队列中。直到收到ARP响应或者ARP请求超时为止。

对于PBUFF_ERF、PBUF_POOL、PBUF_RAM类型的数据包是不允许直接挂到ARP entry的挂起缓存队列上的，因为内核等待目标主机的ARP应答期间，这些数据有可能会被上层改动，所以LwIP需要将这些pbuf数据包拷贝到新的空间，等待发送。

8.8.2 etharp_output()：IP数据包是否ARP协议处理

解析和填写以太网地址头为传出IP数据包。

/**
 * Resolve and fill-in Ethernet address header for outgoing IP packet.
 *
 * For IP multicast and broadcast, corresponding Ethernet addresses are selected and the packet is transmitted on the link.
 *
 * For unicast addresses, the packet is submitted to etharp_query(). In case the IP address is outside the local network, the IP address of the gateway is used.
 *
 * @param netif The lwIP network interface which the IP packet will be sent on.
 * @param q The pbuf(s) containing the IP packet to be sent.
 * @param ipaddr The IP address of the packet destination.
 *
 * @return
 * - ERR_RTE No route to destination (no gateway to external networks),
 * or the return type of either etharp_query() or ethernet_output().
 */
err_t
etharp_output(struct netif *netif, struct pbuf *q, const ip4_addr_t *ipaddr)
{
  const struct eth_addr *dest;
  struct eth_addr mcastaddr;
  const ip4_addr_t *dst_addr = ipaddr;
  /* tcpip内核锁上锁检查 */
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
  /* 参数校验 */
  LWIP_ASSERT("netif != NULL", netif != NULL);
  LWIP_ASSERT("q != NULL", q != NULL);
  LWIP_ASSERT("ipaddr != NULL", ipaddr != NULL);

  if (ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif)) {
    /* 目标IP为广播地址 */
    /* 目标MAC也设置为广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF */
    dest = (const struct eth_addr *)&ethbroadcast;
  } else if (ip4_addr_ismulticast(ipaddr)) {
    /* 目标IP为多播地址 */
    /* 目标MAC也设置为多播地址：01:00:5E:00:00:00 —— 01:00:5E:7F:FF:FF */
    mcastaddr.addr[0] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_0;
    mcastaddr.addr[1] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_1;
    mcastaddr.addr[2] = LL_IP4_MULTICAST_ADDR_2;
    mcastaddr.addr[3] = ip4_addr2(ipaddr) & 0x7f;
    mcastaddr.addr[4] = ip4_addr3(ipaddr);
    mcastaddr.addr[5] = ip4_addr4(ipaddr);
    dest = &mcastaddr;
  } else { /* 目标IP为单播地址 */
    netif_addr_idx_t i;
    /* 判断目标IP是否和原IP主机处于同一个子网上，如果不是，则修改要查找MAC的的IP为当前网卡的网关IP */
    if (!ip4_addr_net_eq(ipaddr, netif_ip4_addr(netif), netif_ip4_netmask(netif)) &&
        !ip4_addr_islinklocal(ipaddr)) { /* 不是同一个子网，也不是本地链路地址，需要把数据包转发到网关 */
#if LWIP_AUTOIP
      struct ip_hdr *iphdr = LWIP_ALIGNMENT_CAST(struct ip_hdr *, q->payload);
      /* 根据RFC 3297 2.6.2章(转发规则)，如果IP地址为本地链路地址（169.254.0.0/16），这样的IP数据包是不能通过路由器转发的 */
      if (!ip4_addr_islinklocal(&iphdr->src)) /* 源IP地址不是本地链路地址 */
#endif /* LWIP_AUTOIP */
      {
#ifdef LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW
        /* 网关钩子函数，可以自定义选择网关 */
        dst_addr = LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW(netif, ipaddr);
        if (dst_addr == NULL)
#endif /* LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW */
        {
          /* 查看网卡是否有默认网关 */
          if (!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_gw(netif))) {
            /* 获取网卡默认网关 */
            dst_addr = netif_ip4_gw(netif);
          } else { /* 没找到有效网关 */
            /* 没有路由到目的地错误(缺省网关丢失) */
            return ERR_RTE;
          }
        }
      }
    }
#if LWIP_NETIF_HWADDRHINT
    if (netif->hints != NULL) {
      /* 网卡中上次发包时使用的arp entry优先遍历 */
      netif_addr_idx_t etharp_cached_entry = netif->hints->addr_hint;
      if (etharp_cached_entry < ARP_TABLE_SIZE) {
#endif /* LWIP_NETIF_HWADDRHINT */
        if ((arp_table[etharp_cached_entry].state >= ETHARP_STATE_STABLE) && /* arp entry有效 */
#if ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF
            (arp_table[etharp_cached_entry].netif == netif) && /* arp entry对应网卡匹配 */
#endif
            (ip4_addr_eq(dst_addr, &arp_table[etharp_cached_entry].ipaddr))) { /* 找到目标IP的MAC映射 */
          ETHARP_STATS_INC(etharp.cachehit); /* 记录lwip arp相关状态 */
          /* 发送IP数据包 */
          return etharp_output_to_arp_index(netif, q, etharp_cached_entry);
        }
#if LWIP_NETIF_HWADDRHINT
      }
    }
#endif /* LWIP_NETIF_HWADDRHINT */

    /* 如果网卡指定先遍历的arp entry没有找到合法映射，就需要遍历ARP缓存表 */
    for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; i++) {
      if ((arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE) && /* arp entry有效 */
#if ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF
          (arp_table[i].netif == netif) && /* 网卡匹配对应 */
#endif
          (ip4_addr_eq(dst_addr, &arp_table[i].ipaddr))) { /* 目标IP对应 */
        /* 找到目标IP的MAC映射 */
        /* 把当前arp entry索引保存到网卡中，以便下次快速遍历 */
        ETHARP_SET_ADDRHINT(netif, i);
        /* 发送IP数据包 */
        return etharp_output_to_arp_index(netif, q, i);
      }
    }
    /* 在ARP缓存表中没有找到对应的ARP entry，就需要发起ARP 请求 */
    return etharp_query(netif, dst_addr, q);
  }

  /* 对于广播或组播的数据包，直接知道了目标硬件字段的MAC地址，可以直接往链路层发送 */
  return ethernet_output(netif, q, (struct eth_addr *)(netif->hwaddr), dest, ETHTYPE_IP);
}

8.8.3 etharp_output_to_arp_index()：需要维护arp entry的IP数据包转发函数

etharp_output_to_arp_index()这个函数实现维护arp entry超时前更新，然后把数据包通过ethernet_output()转交给链路层。

其源码参考前面缓存表状态。

8.8.4 etharp_query()：需要发起ARP请求的IP数据包转发函数

如果IP数据包为单播包，且在 ARP 缓存表中没有找到对应的MAC地址，就需要调用etharp_query()函数发起ARP请求处理。

主要内容：

  • IP地址校验。只能是有效的单播IP地址。
  • 找到可操作的arp entry。
  • 发起ARP请求。
  • 拷贝pbuf保存到arp entry缓存队列。
/**
 * Send an ARP request for the given IP address and/or queue a packet.
 *
 * If the IP address was not yet in the cache, a pending ARP cache entry
 * is added and an ARP request is sent for the given address. The packet
 * is queued on this entry.
 *
 * If the IP address was already pending in the cache, a new ARP request
 * is sent for the given address. The packet is queued on this entry.
 *
 * If the IP address was already stable in the cache, and a packet is
 * given, it is directly sent and no ARP request is sent out.
 *
 * If the IP address was already stable in the cache, and no packet is
 * given, an ARP request is sent out.
 *
 * @param netif The lwIP network interface on which ipaddr
 * must be queried for.
 * @param ipaddr The IP address to be resolved.
 * @param q If non-NULL, a pbuf that must be delivered to the IP address.
 * q is not freed by this function.
 *
 * @note q must only be ONE packet, not a packet queue!
 *
 * @return
 * - ERR_BUF Could not make room for Ethernet header.
 * - ERR_MEM Hardware address unknown, and no more ARP entries available
 *   to query for address or queue the packet.
 * - ERR_MEM Could not queue packet due to memory shortage.
 * - ERR_RTE No route to destination (no gateway to external networks).
 * - ERR_ARG Non-unicast address given, those will not appear in ARP cache.
 *
 */
err_t
etharp_query(struct netif *netif, const ip4_addr_t *ipaddr, struct pbuf *q)
{
  struct eth_addr *srcaddr = (struct eth_addr *)netif->hwaddr;
  err_t result = ERR_MEM;
  int is_new_entry = 0;
  s16_t i_err;
  netif_addr_idx_t i;

  /* 如果是广播、组播或者无效的单播，不需要发起ARP请求，不用在继续往下处理 */
  if (ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) ||
      ip4_addr_ismulticast(ipaddr) ||
      ip4_addr_isany(ipaddr)) {
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: will not add non-unicast IP address to ARP cache\n"));
    return ERR_ARG;
  }

  /* 按规则找到arp entry进行操作 */
  i_err = etharp_find_entry(ipaddr, ETHARP_FLAG_TRY_HARD, netif);

  if (i_err < 0) { /* 没找到能用的arp entry */
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: could not create ARP entry\n"));
    if (q) {
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: packet dropped\n"));
      ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);
    }
    return (err_t)i_err;
  }
  LWIP_ASSERT("type overflow", (size_t)i_err < NETIF_ADDR_IDX_MAX);
  i = (netif_addr_idx_t)i_err; /* 找到合法的arp entry */

  if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY) { /* 是新的arp entry，做下标记 */
    is_new_entry = 1; /* 标记下当前为新的arp entry */
    arp_table[i].state = ETHARP_STATE_PENDING; /* 更新为pending态 */
    /* 保存网卡到arp entry中 */
    arp_table[i].netif = netif;
  }

  /* arp请求中或者arp entry有效即可往下走 */
  LWIP_ASSERT("arp_table[i].state == PENDING or STABLE",
              ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) ||
               (arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE)));

  /* do we have a new entry? or an implicit query request? */
  if (is_new_entry || (q == NULL)) { /* 新的arp entry或者隐式ARP请求都需要重新发起ARP请求 */
    /* 发送ARP请求 */
    result = etharp_request(netif, ipaddr);
    if (result != ERR_OK) {
      /* ARP请求发送失败 */
      /* 该故障可能只是暂时的，而且在etharp_tmr()周期定时函数中会重新发出ARP请求，所以这里先跳过 */
    } else {
      /* ARP请求发送成功 */
      if ((arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) && !is_new_entry) {
        /* 隐式ARP请求，发送请求成功，重置下ctime，不让其快过期 */
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: reset ctime for entry %"S16_F"\n", (s16_t)i));
        arp_table[i].ctime = 0;
      }
    }
    if (q == NULL) {
      return result; /* 隐式ARP请求的话，不需要往下保存数据了 */
    }
  }

  LWIP_ASSERT("q != NULL", q != NULL);

  if (arp_table[i].state >= ETHARP_STATE_STABLE) { /* 当前条目已经有效 */
    /* 更新下当前网卡发送IP数据包时使用的arp entry，方便下次优先遍历 */
    ETHARP_SET_ADDRHINT(netif, i);
    /* 可以直接把IP数据包交给链路层转发 */
    result = ethernet_output(netif, q, srcaddr, &(arp_table[i].ethaddr), ETHTYPE_IP);
  } else if (arp_table[i].state == ETHARP_STATE_PENDING) { /* ARP请求中 */
    /* 需要把当前IP数据包放到当前arp entry的缓存队列中 */
    struct pbuf *p;
    int copy_needed = 0;
    /* 如果q这个pbuf链中包含一个可改动的pbuf（即是PBUFF_ERF、PBUF_POOL、PBUF_RAM），都需要拷贝整个pbuf链到arp entry的缓存队列中. */
    p = q;
    while (p) {
      LWIP_ASSERT("no packet queues allowed!", (p->len != p->tot_len) || (p->next == NULL));
      if (PBUF_NEEDS_COPY(p)) { /* 遍历pbuf链中各个pbuf，是否含有可改动的pbuf */
        copy_needed = 1; /* 需要拷贝整个pbuf链 */
        break;
      }
      p = p->next;
    }
    if (copy_needed) {
      /* 将整个包复制到新的pbuf中 */
      p = pbuf_clone(PBUF_LINK, PBUF_RAM, q);
    } else {
      /* 引用旧的pbuf就足够了 */
      p = q;
      pbuf_ref(p);
    }

    if (p != NULL) {
#if ARP_QUEUEING
      struct etharp_q_entry *new_entry;
      /* 申请一个新的 arp entry queue 节点资源 */
      new_entry = (struct etharp_q_entry *)memp_malloc(MEMP_ARP_QUEUE);
      if (new_entry != NULL) {
        unsigned int qlen = 0; /* 记录队列节点数 */
        new_entry->next = NULL;
        new_entry->p = p; /* 把IP层需要发送的数据包先放到当前arp entry queue节点 */
        if (arp_table[i].q != NULL) {
          /* 队列已经存在，将新条目插入到队列尾 */
          struct etharp_q_entry *r;
          r = arp_table[i].q;
          qlen++;
          while (r->next != NULL) {
            r = r->next;
            qlen++;
          }
          r->next = new_entry;
        } else {
          /* 队列不存在，当前节点放到队列首部 */
          arp_table[i].q = new_entry;
        }
#if ARP_QUEUE_LEN
        if (qlen >= ARP_QUEUE_LEN) { /* 队列超员后，需要丢弃旧报文，为新报文腾位 */
          struct etharp_q_entry *old;
          old = arp_table[i].q;
          arp_table[i].q = arp_table[i].q->next; /* 删除最老的报文 */
          pbuf_free(old->p); /* 释放该报文资源 */
          memp_free(MEMP_ARP_QUEUE, old); /* 回收该节点资源 */
        }
#endif
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: queued packet %p on ARP entry %"U16_F"\n", (void *)q, i));
        result = ERR_OK; /* ARP请求处理完毕 */
      } else { /* ARP缓存节点MEMP_ARP_QUEUE内存池没有资源了 */
        pbuf_free(p); /* 释放拷贝的的pbuf资源 */
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: could not queue a copy of PBUF_REF packet %p (out of memory)\n", (void *)q));
        result = ERR_MEM; /* 返回内存不足 */
      }
#else /* ARP_QUEUEING */ /* arp entry缓存队列只能是单包配置 */
      /* 对于每个ARP请求总是只排队一个包，释放之前排队的包 */
      if (arp_table[i].q != NULL) {
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: dropped previously queued packet %p for ARP entry %"U16_F"\n", (void *)q, (u16_t)i));
        pbuf_free(arp_table[i].q);
      }
      arp_table[i].q = p;
      result = ERR_OK;
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: queued packet %p on ARP entry %"U16_F"\n", (void *)q, (u16_t)i));
#endif /* ARP_QUEUEING */
    } else { /* 拷贝pbuf链表时PBUF_RAM内存堆空间不足 */
      ETHARP_STATS_INC(etharp.memerr);
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_query: could not queue a copy of PBUF_REF packet %p (out of memory)\n", (void *)q));
      result = ERR_MEM; /* 返回内存不足 */
    }
  }
  return result; /* 搞完 */
}

8.8.5 etharp_find_entry()：查找可被新建的arp entry

  • 优先寻找匹配IP（和网卡）的arp entry。
  • 然后再寻找最不重要的arp entry。优先被覆盖的顺序：empty entry > oldest stable entry > oldest pending entry without queued packets > oldest pending entry with queued packets。
/**
 * Search the ARP table for a matching or new entry.
 *
 * If an IP address is given, return a pending or stable ARP entry that matches
 * the address. If no match is found, create a new entry with this address set,
 * but in state ETHARP_EMPTY. The caller must check and possibly change the
 * state of the returned entry.
 *
 * If ipaddr is NULL, return a initialized new entry in state ETHARP_EMPTY.
 *
 * In all cases, attempt to create new entries from an empty entry. If no
 * empty entries are available and ETHARP_FLAG_TRY_HARD flag is set, recycle
 * old entries. Heuristic choose the least important entry for recycling.
 *
 * @param ipaddr IP address to find in ARP cache, or to add if not found.
 * @param flags See @ref etharp_state
 * @param netif netif related to this address (used for NETIF_HWADDRHINT)
 *
 * @return The ARP entry index that matched or is created, ERR_MEM if no
 * entry is found or could be recycled.
 */
static s16_t
etharp_find_entry(const ip4_addr_t *ipaddr, u8_t flags, struct netif *netif)
{
  s16_t old_pending = ARP_TABLE_SIZE; /* pending态没有阻塞数据最老的arp entry */
  s16_t old_stable = ARP_TABLE_SIZE; /* 有效态最老的arp entry */
  s16_t empty = ARP_TABLE_SIZE;
  s16_t i = 0;
  s16_t old_queue = ARP_TABLE_SIZE; /* pending态有阻塞数据最老的arp entry */
  /* 对应的age */
  u16_t age_queue = 0, age_pending = 0, age_stable = 0;

  LWIP_UNUSED_ARG(netif); /* 防止编译警告 */

  /**
   * a) do a search through the cache, remember candidates
   * b) select candidate entry
   * c) create new entry
   */

  /* a) in a single search sweep, do all of this
   * 1) remember the first empty entry (if any)
   * 2) remember the oldest stable entry (if any)
   * 3) remember the oldest pending entry without queued packets (if any)
   * 4) remember the oldest pending entry with queued packets (if any)
   * 5) search for a matching IP entry, either pending or stable
   *    until 5 matches, or all entries are searched for.
   */

  for (i = 0; i < ARP_TABLE_SIZE; ++i) { /* 遍历ARP缓存表 */
    u8_t state = arp_table[i].state;
    if ((empty == ARP_TABLE_SIZE) && (state == ETHARP_STATE_EMPTY)) {
      /* 检索到空闲的arp entry */
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG, ("etharp_find_entry: found empty entry %d\n", (int)i));
      /* 记住第一个空闲的arp entry */
      empty = i;
    } else if (state != ETHARP_STATE_EMPTY) { /* 当前遍历到的arp entry不是空闲态 */
      LWIP_ASSERT("state == ETHARP_STATE_PENDING || state >= ETHARP_STATE_STABLE",
                  state == ETHARP_STATE_PENDING || state >= ETHARP_STATE_STABLE);
      if (ipaddr && ip4_addr_eq(ipaddr, &arp_table[i].ipaddr) /* 匹配当前arp entry的IP */
#if ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF
          && ((netif == NULL) || (netif == arp_table[i].netif)) /* 匹配当前arp entry的网卡 */
#endif /* ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF */
         ) {
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: found matching entry %d\n", (int)i));
        /* 已经找到符合要求，且已经存在的arp entry了 */
        return i;
      }
      if (state == ETHARP_STATE_PENDING) { /* peding态 */
        if (arp_table[i].q != NULL) { /* 有阻塞数据包 */
          if (arp_table[i].ctime >= age_queue) { /* 当前arp entry更老 */
            /* 更新值 */
            old_queue = i;
            age_queue = arp_table[i].ctime;
          }
        } else
        { /* 没有阻塞数据包 */
          if (arp_table[i].ctime >= age_pending) { /* 当前arp entry更老 */
            /* 更新值 */
            old_pending = i;
            age_pending = arp_table[i].ctime;
          }
        }
      } else if (state >= ETHARP_STATE_STABLE) { /* 有效态 */
#if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES
        /* 不要处理静态的arp entry */
        if (state < ETHARP_STATE_STATIC)
#endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */
        {
          if (arp_table[i].ctime >= age_stable) { /* 当前arp entry更老 */
            /* 更新值 */
            old_stable = i;
            age_stable = arp_table[i].ctime;
          }
        }
      }
    }
  }

  /* 已经遍历ARP缓存表完毕，没找到匹配IP已有的arp entry。 */

  if (((flags & ETHARP_FLAG_FIND_ONLY) != 0) || /* 只读模式，没有匹配的arp entry就直接退出 */
      ((empty == ARP_TABLE_SIZE) && ((flags & ETHARP_FLAG_TRY_HARD) == 0))) { /* 非只读模式，但是没找到空闲arp entry，又不能覆盖，也直接退出 */
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: no empty entry found and not allowed to recycle\n"));
    return (s16_t)ERR_MEM;
  }

  /* b) choose the least destructive entry to recycle:
   * 1) empty entry
   * 2) oldest stable entry
   * 3) oldest pending entry without queued packets
   * 4) oldest pending entry with queued packets
   *
   * { ETHARP_FLAG_TRY_HARD is set at this point }
   */

  if (empty < ARP_TABLE_SIZE) { /* 找到空闲的arp entry */
    i = empty;
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: selecting empty entry %d\n", (int)i));
  } else { /* 没找到空闲的arp entry */
    if (old_stable < ARP_TABLE_SIZE) { /* 2) 先找最老的有效态arp entry */
      /* 回收最老的有效态arp entry */
      i = old_stable;
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: selecting oldest stable entry %d\n", (int)i));
      /* stable态arp entry上不应该存在排队的数据包 */
      LWIP_ASSERT("arp_table[i].q == NULL", arp_table[i].q == NULL);
    } else if (old_pending < ARP_TABLE_SIZE) { /* 3) 再找没有阻塞数据的pending态的arp entry */
      /* 回收这条arp entry */
      i = old_pending;
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: selecting oldest pending entry %d (without queue)\n", (int)i));
    } else if (old_queue < ARP_TABLE_SIZE) {  /* 4) 最后才找有阻塞数据的pending态的arp entry */
      /* 回收这条arp entry */
      i = old_queue;
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: selecting oldest pending entry %d, freeing packet queue %p\n", (int)i, (void *)(arp_table[i].q)));
    } else { /* 没找到 */
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_find_entry: no empty or recyclable entries found\n"));
      return (s16_t)ERR_MEM;
    }

    LWIP_ASSERT("i < ARP_TABLE_SIZE", i < ARP_TABLE_SIZE);
    /* 找到需要需要回收的arp entry，将其回收 */
    etharp_free_entry(i);
  }

  /* 确保当前arp entry已经为空闲态，且索引不超限制 */
  LWIP_ASSERT("i < ARP_TABLE_SIZE", i < ARP_TABLE_SIZE);
  LWIP_ASSERT("arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY",
              arp_table[i].state == ETHARP_STATE_EMPTY);

  if (ipaddr != NULL) {
    /* 保存IP到新建arp entry */
    ip4_addr_copy(arp_table[i].ipaddr, *ipaddr);
  }
  arp_table[i].ctime = 0; /* 重置age */
#if ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF
  arp_table[i].netif = netif; /* 保存网卡到新建arp entry */
#endif /* ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF */
  return (s16_t)i; /* 返回找到符合要求的arp entry */
}

8.9 数据包接收分析

主要分析ARP协议层的处理。

通过前面分析了以太网链路层收到数据帧后j由ethernet_input()，如果是一个合法的以太网数据帧，并且协议是ARP类型，就会上传到etharp_input()处理。

etharp_input()主要内容是：

  1. 检查ARP报文。

  2. ARP请求报文：如果是请求报文的目标IP和本地的匹配，就组装ARP响应报文并发送出去。

  3. ARP响应报文：

    1. 更新ARP缓存表。
    2. 把阻塞在arp entry缓存队列的IP数据报发送出去。
    3. 释放pbuf。因为ARP报文到此已经处理完毕。

etharp_input()：

/**
 * Responds to ARP requests to us. Upon ARP replies to us, add entry to cache
 * send out queued IP packets. Updates cache with snooped address pairs.
 *
 * Should be called for incoming ARP packets. The pbuf in the argument
 * is freed by this function.
 *
 * @param p The ARP packet that arrived on netif. Is freed by this function.
 * @param netif The lwIP network interface on which the ARP packet pbuf arrived.
 *
 * @see pbuf_free()
 */
void
etharp_input(struct pbuf *p, struct netif *netif)
{
  struct etharp_hdr *hdr;
  ip4_addr_t sipaddr, dipaddr;
  u8_t for_us, from_us;

  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  LWIP_ERROR("netif != NULL", (netif != NULL), return;);

  hdr = (struct etharp_hdr *)p->payload; /* 把ARP报文拿出来 */

  /* RFC 826 "Packet Reception": */
  /* 检查ARP包的合法性 */
  if ((hdr->hwtype != PP_HTONS(LWIP_IANA_HWTYPE_ETHERNET)) || /* 硬件地址类型只支持以太网类型 */
      (hdr->hwlen != ETH_HWADDR_LEN) || /* 硬件地址长度检查（MAC类型为6） */
      (hdr->protolen != sizeof(ip4_addr_t)) || /* 协议地址长度检查。目前只支持IPV4 */
      (hdr->proto != PP_HTONS(ETHTYPE_IP)))  /* 协议地址类型，IPv4类型 */
    { /* ARP报文校验不通过 */
    LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_WARNING,
                ("etharp_input: packet dropped, wrong hw type, hwlen, proto, protolen or ethernet type (%"U16_F"/%"U16_F"/%"U16_F"/%"U16_F")\n",
                 hdr->hwtype, (u16_t)hdr->hwlen, hdr->proto, (u16_t)hdr->protolen));
    /* 数据包丢弃记录 */
    ETHARP_STATS_INC(etharp.proterr);
    ETHARP_STATS_INC(etharp.drop);
    /* 释放pbuf */
    pbuf_free(p);
    return;
  }
  /* ARP报文校验通过，记录下 */
  ETHARP_STATS_INC(etharp.recv);

#if LWIP_ACD
  /* We have to check if a host already has configured our ip address and
   * continuously check if there is a host with this IP-address so we can
   * detect collisions.
   * acd_arp_reply ensures the detection of conflicts. It will handle possible
   * defending or retreating and will make sure a new IP address is selected.
   * etharp_input does not need to handle packets that originate "from_us".
   */
  acd_arp_reply(netif, hdr); /* IP冲突处理。AUTOIP协议范畴，如果开启了AUTOIP，每一个收到的ARP包都会先经过这个处理。 */
#endif /* LWIP_ACD */

  IPADDR_WORDALIGNED_COPY_TO_IP4_ADDR_T(&sipaddr, &hdr->sipaddr); /* 把ARP报文的源IP地址提前出来 */
  IPADDR_WORDALIGNED_COPY_TO_IP4_ADDR_T(&dipaddr, &hdr->dipaddr); /* 把ARP报文的目标IP地址提前出来 */

  if (ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) { /* 主机网卡没有配置IP地址 */
    for_us = 0; /* 这个ARP包不是给我们的 */
    from_us = 0; /* 也不是从我们这里发出去再被转回来的 */
  } else { /* 主机网卡已经被配置了IP，可以继续分析ARP报文 */
    /* ARP报文是否是指向我们的 */
    for_us = (u8_t)ip4_addr_eq(&dipaddr, netif_ip4_addr(netif));
    /* 收到的这个ARP报文是否是从我们这里发出的 */
    from_us = (u8_t)ip4_addr_eq(&sipaddr, netif_ip4_addr(netif));
  }

  /* 如果这个ARP报文是给我们的：
      -> 更新ARP缓存表; 
      -> 如果是一个ARP请求报文，那就组装ARP响应报文回去。
      -> 如果是一个ARP响应报文，那就把当前arp entry中的缓存队列数据发出去。
     如果这个ARP报文不是给我们的：
      ->  如果缓存表中有空闲的arp entry，我们也可以保存这个IP-MAC映射 */
  etharp_update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr->shwaddr),
                          for_us ? ETHARP_FLAG_TRY_HARD : ETHARP_FLAG_FIND_ONLY); /* 更新ARP缓存表 */

  /* 检查当前ARP报文的类型 */
  switch (hdr->opcode) {
    case PP_HTONS(ARP_REQUEST): /* ARP请求 */
      /* ARP request. 如果是询问我们这个IP映射的MAC地址，那么就组装ARP响应报文回去 */
      LWIP_DEBUGF (ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_input: incoming ARP request\n"));
      if (for_us && !from_us) { /* 这个ARP请求是询问我们的 */
        /* 发送ARP响应 */
        etharp_raw(netif,
                   (struct eth_addr *)netif->hwaddr, &hdr->shwaddr,
                   (struct eth_addr *)netif->hwaddr, netif_ip4_addr(netif),
                   &hdr->shwaddr, &sipaddr,
                   ARP_REPLY);
      } else if (ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) { /* 我们还没有配置IP */
        /* { for_us == 0 and netif->ip_addr.addr == 0 } */
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_input: we are unconfigured, ARP request ignored.\n"));
      } else { /* 这个ARP请求不是给我们的 */
        /* { for_us == 0 and netif->ip_addr.addr != 0 } */
        LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_input: ARP request was not for us.\n"));
      }
      break;
    case PP_HTONS(ARP_REPLY):
      /* ARP reply. 已经更新了ARP缓存表 */
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_input: incoming ARP reply\n"));
      break;
    default:
      LWIP_DEBUGF(ETHARP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("etharp_input: ARP unknown opcode type %"S16_F"\n", lwip_htons(hdr->opcode)));
      ETHARP_STATS_INC(etharp.err); /* 收到的ARP报文异常，记录下 */
      break;
  }
  /* ARP报文处理完毕，释放资源 */
  pbuf_free(p);
}

8.10 LWIP ARP一图笔记

【lwip】08-ARP协议一图笔记及源码实现

标签：

相关文章