地址转换协议ARP
在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。
所谓地址解析（address resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。
理论结构
ARP软件可分为三部分：
- 输出模块
- 将高层协议地址与相应的物理地址进行绑定，返回给网络接口程序
- 输入模块
- 处理来自网络的ARP分组，并通过增加新的绑定来修改ARP高速缓存的内容
- 高速缓存管理程序
- 实现高速缓存替换策略；检测高速缓存中的所有表项，删除已达到规定时限的表项
输出模块
该模块主要是要接收IP数组请求，然后查找物理地址，返回。
主要步骤为：
1. 睡眠，直到IP软件收到IP分组。
2. 检查高速缓存表，寻找对应于这个IP分组的项目。
3. if ( 找到 )｛
if ( 状态为 RESOLVED ){
提取硬件物理地址;
将分组连同硬件物理地址一起发送到数据链路层;
return;
}
else if ( 状态为 PENDING ){
将分组放入相应的队列;
return;
}
｝
else{
创建一个队列;
将分组加入到队列中;
创建一个高速缓存项目，状态设置为 PENDING ，ATTEMPTS 为 1;
发送ARP请求;
}
ARP高速缓存队列
它是用数组来存储的。
extern struct arpentry arptable[ARP_TSIZE]
搜索ARP高速缓存
/* arpfind.c - arpfind */ #include <conf.h>
#include <kernel.h>
#include <network.h> /*------------------------------------------------------------------------
* arpfind - find an ARP entry given a protocol address and interface
*------------------------------------------------------------------------
*/
struct arpentry *
arpfind(u_char *pra, u_short prtype, struct netif *pni)
{
struct arpentry *pae; /* 定义ARP缓存结构体指针 */
int i; for (i=; i<ARP_TSIZE; ++i) { /* 遍历ARP高速缓存 */
pae = &arptable[i]; /* 高速缓存数组 */
if (pae->ae_state == AS_FREE) /* 缓存为空闲接找下一个 */
continue;
if (pae->ae_prtype == prtype && /* 协议类型相同 */
pae->ae_pni == pni && /* 接口和协议地址相同 */
BLKEQU(pae->ae_pra, pra, pae->ae_prlen)) /* BLKEQU的定义 #define BLKEQU(b1, b2, len) (!memcmp((b1), (b2), len))*/
return pae;
}
return ;
}
ARP请求分组的广播
/* arpsend.c - arpsend */ #include <conf.h>
#include <kernel.h>
#include <network.h> /*------------------------------------------------------------------------
* arpsend - broadcast an ARP request
* N.B. Assumes interrupts disabled
*------------------------------------------------------------------------
*/
int arpsend(pae)
struct arpentry *pae; //指向高速缓存的表项
{
struct netif *pni = pae->ae_pni;
struct ep *pep;
struct arp *parp;
int arplen; pep = (struct ep *) getbuf(Net.netpool); //生成ARP请求分组
if ((int)pep == SYSERR)
return SYSERR;
blkcopy(pep->ep_dst, pni->ni_hwb.ha_addr, pae->ae_hwlen);
pep->ep_type = EPT_ARP;
pep->ep_order = EPO_NET;
parp = (struct arp *) pep->ep_data;
parp->ar_hwtype = hs2net(pae->ae_hwtype);
parp->ar_prtype = hs2net(pae->ae_prtype);
parp->ar_hwlen = pae->ae_hwlen;
parp->ar_prlen = pae->ae_prlen;
parp->ar_op = hs2net(AR_REQUEST);
blkcopy(SHA(parp), pni->ni_hwa.ha_addr, pae->ae_hwlen);
blkcopy(SPA(parp), &pni->ni_ip, pae->ae_prlen);
bzero(THA(parp), pae->ae_hwlen);
blkcopy(TPA(parp), pae->ae_pra, pae->ae_prlen);
arplen = ARP_HLEN + *(parp->ar_hwlen + parp->ar_prlen);
write(pni->ni_dev, pep, EP_HLEN+arplen); //发送请求分组
return OK;
}
输入模块
从一个队列中拿走一个分组，并连同解析出的物理地址一起发送给数据报链路层传输。
主要步骤为
1. 睡眠，直到ARP分组到达（请求或回答）。
2. 检查高速缓存表，寻找对应这个ARP分组的项目。
3. if ( 找到 ){
if ( 状态是 RESOLVED ){
更新项目;
return;
}
else if ( 状态是 PENDING ){
更新项目;
如果队列非空的话，将一个分组从队列中取出，将它与硬件地址一起发送给数据链路层;
return;
{
}
else{
创建一个项目;
将此项目添加到表中;
return;
}
4. 如果分组是一个请求， 发送ARP回答。
向表中增加已转换的表项
/* arpadd.c - arpadd */ #include <conf.h>
#include <kernel.h>
#include <network.h> struct arpentry *arpalloc(void); /*------------------------------------------------------------------------
* arpadd - Add a RESOLVED entry to the ARP cache
* N.B. Assumes interrupts disabled
*------------------------------------------------------------------------
*/
struct arpentry *
arpadd(struct netif *pni, struct arp *parp)
{
struct arpentry *pae; pae = arpalloc(); //在高速缓存中分配一个表项 /* 利用ARP分组信息填写表项 */
pae->ae_hwtype = parp->ar_hwtype;
pae->ae_prtype = parp->ar_prtype;
pae->ae_hwlen = parp->ar_hwlen;
pae->ae_prlen = parp->ar_prlen;
pae->ae_pni = pni;
pae->ae_queue = EMPTY;
memcpy(pae->ae_hwa, SHA(parp), parp->ar_hwlen);
memcpy(pae->ae_pra, SPA(parp), parp->ar_prlen);
/* 初始化 */
pae->ae_ttl = ARP_TIMEOUT;
pae->ae_state = AS_RESOLVED;
return pae;
}
发送等待发送的分组
/* arpqsend.c - arpqsend */ #include <conf.h>
#include <kernel.h>
#include <network.h> int netwrite(struct netif *, struct ep *, unsigned); /*------------------------------------------------------------------------
* arpqsend - write packets queued waiting for an ARP resolution
*------------------------------------------------------------------------
*/
void
arpqsend(struct arpentry *pae)
{
struct ep *pep;
struct netif *pni; if (pae->ae_queue == EMPTY)
return; pni = pae->ae_pni;
/* 遍历等待发送的分组队列，调用netwrite逐个放入网络输出队列中 */
while (pep = (struct ep *)deq(pae->ae_queue))
netwrite(pni, pep, pep->ep_len);
freeq(pae->ae_queue); //队列为空后，释放自身
pae->ae_queue = EMPTY;
}
高速缓存管理
高速缓存是用来存储IP地址与物理地址的。如果一个IP进行需要发送一个数据报，但其目的地址不在ARP高速缓存中，就会创建一个新的表项，然后广播相应的请求分组，并等待分组置入队列中。
主要步骤:
1. 睡眠，周期性的唤醒。
2. 遍历高速缓存的每一个项目：
if ( 状态为FREE )
continue;
if ( 状态为PENDING ){
尝试次数+1;
if ( 尝试次数达到最大次数 ){
该项目状态->FREE;
撤销相应的队列;
}
else {
发送ARP请求;
}
continue;
}
else if( 状态为RESOLVED ){
将超时字段的值减去已经过去的时间;
若结果小于0，状态->FREE，撤销相应队列。
}
替换策略
/* arpalloc.c - arpalloc */ #include <conf.h>
#include <kernel.h>
#include <proc.h>
#include <network.h> void arpdq(struct arpentry *); /*------------------------------------------------------------------------
* arpalloc - allocate an entry in the ARP table
* N.B. Assumes interrupts DISABLED
*------------------------------------------------------------------------
*/
struct arpentry *arpalloc()
{
static int aenext = ; //静态变量，保证循环
struct arpentry *pae;
int i; for (i=; i<ARP_TSIZE; ++i) { //遍历表
if (arptable[aenext].ae_state == AS_FREE)
break;
aenext = (aenext + ) % ARP_TSIZE; //循环替换
}
pae = & arptable[aenext];
aenext = (aenext + ) % ARP_TSIZE; if (pae->ae_state == AS_PENDING && pae->ae_queue >= )
arpdq(pae);
pae->ae_state = AS_PENDING;
return pae;
}