第十七章 W55MH32 ARP示例

原创 于 2025-07-24 08:35:55 发布 · 746 阅读 · 14 ·
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#高性能以太网单片机 #W55MH32 #WIZnet #MACRAW #ARP #网络协议 #以太网

目录

1 MACRAW模式简介

2 ARP协议简介

3 ARP协议特点

4 ARP协议请求的工作流程

5 ARP协议应用场景

6 ARP协议的安全风险及防护措施

7 ARP协议的工作原理

8 ARP报文格式

9 实现过程

10 运行结果

11 总结

本篇文章，我们将详细介绍如何在W55MH32芯片上面实现MAC RAW模式。并通过实战例程，为大家讲解如何使用MAC RAW模式实现ARP解析IP地址为MAC地址。

该例程用到的其他网络协议，例如 DHCP，请参考相关章节。有关 W55MH32 的初始化过程，请参考 Network Install 章节，这里将不再赘述。

1 MACRAW模式简介

MACRAW 模式是W55MH32 TOE提供的一种底层通信模式，芯片会直接接收和发送以太网帧，而无需解析 TCP/IP 层的协议。通过这种模式，用户可以直接操作以太网帧的头部（如目的 MAC 地址、源 MAC 地址、以太类型等）和有效负载数据。

注意：仅Socket0能设置为MACRAW模式。

2 ARP协议简介

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个网络协议，用于通过已知的IP地址解析对应的MAC地址，工作于OSI模型的第二层（数据链路层），它是IPv4网络中局域网通信的重要组成部分。

3 ARP协议特点

协议工作范围：ARP协议仅在同一个局域网（LAN）内工作，因为广播请求无法跨越路由器。

缓存机制：为了减少频繁的广播，设备会将IP-MAC的对应关系缓存一段时间。

协议类型：ARP请求（Opcode = 1）：用于查询目标设备的MAC地址。

ARP响应（Opcode = 2）：用于回复请求方的ARP消息。

4 ARP协议请求的工作流程

当发送方主机A需要与目标主机B通信，但只知道目标主机的IP地址，而不知道目标主机的MAC地址，并且自己的ARP缓存表中也无对应关系，此时会触发ARP请求流程：

  1. 构建ARP请求：发送方需要构建一个ARP请求数据包。
  2. 广播ARP请求：发送方将构建好的ARP请求封装为以太网帧，使用广播方式发送到局域网。
  3. 目标主机接收并处理：网络中的所有主机都会收到广播帧，但只有目标主机（IP地址匹配）会响应。
  4. 发送方接收ARP响应，并更新自己的ARP缓存表。

5 ARP协议应用场景

  1. 地址解析：当设备需要进行链路层通信时，可以使用ARP协议获取对方MAC地址。
  2. 网络调试与诊断：在调试嵌入式设备时，通过发送 ARP 请求验证设备的网络连通性。

6 ARP协议的安全风险及防护措施

尽管ARP协议在局域网通信中非常重要，但它也存在安全风险。例如，ARP欺骗是一种常见的攻击手段，攻击者可以通过伪造ARP回复来误导其他设备，从而窃取敏感信息或中断网络通信。为了防范ARP欺骗攻击，可以采取以下措施：

1.使用静态ARP表：通过配置静态ARP表项，可以限制和指定IP地址的设备通信时只使用指定的MAC地址。这样，即使攻击者发送了伪造的ARP报文，也无法修改此表项的IP地址和MAC地址的映射关系。

2.端口安全和静态IP/MAC绑定：在接入交换机上启用端口安全功能，并将用户IP/MAC地址进行静态绑定。这种方法可以防止用户发出假冒网关的ARP信息。

3.动态ARP检查（DAI）与DHCP侦听：结合使用动态ARP检查和DHCP侦听功能，可以对用户发出的ARP报文进行合法性检测，并过滤掉不符合规则的ARP报文。

4.加密通信协议：通过使用加密通信协议，可以防止网络流量被窃听和篡改。

5.防火墙和交换机配置：在防火墙和交换机上设置相应的安全策略，例如启用特殊的ARP报文过滤功能。

6客户端管理：确保所有终端设备都遵循安全策略，并定期更新和打补丁。

7 ARP协议的工作原理

发送ARP请求：

当设备A需要与设备B通信时，首先检查ARP缓存是否存有设备B的MAC地址。如果ARP缓存中没有设备B的MAC地址，设备A会发送一条广播ARP请求消息，格式为：“谁是IP地址 X.X.X.X？请告诉我（设备A的IP地址和MAC地址）。”

接收ARP响应：

设备B收到广播请求后，检查请求中的IP地址是否与自身匹配。如果匹配，设备B发送一条单播ARP响应消息给设备A，告知设备B的MAC地址。设备A收到响应后，将设备B的MAC地址缓存起来，用于后续通信。

8 ARP报文格式

一个标准的ARP报文由以下字段组成，总长度为28字节（不包含链路层帧头）：

字段名

长度（字节）

描述

Hardware Type

2

表示硬件类型，常见值为1（以太网）。

Protocol Type

2

表示需要解析的协议类型，常见值为0x0800（IPv4）。

Hardware Address Length

1

硬件地址（MAC地址）的长度，通常为6字节。

Protocol Address Length

1

协议地址（IP地址）的长度，通常为4字节（IPv4）。

Operation Code

2

指示操作类型：1（请求），2（响应）。

Sender Hardware Address

6

请求方的MAC地址。

Sender Protocol Address

4

请求方的IP地址。

Target Hardware Address

6

目标设备的MAC地址。请求中此字段为0。

Target Protocol Address

4

目标设备的IP地址。

报文字段详解

  1. 硬件类型 (Hardware Type)：说明所使用的网络类型，例如：
  1. 1：以太网。
  2. 6：IEEE 802网络。

对于以太网的ARP报文，该值始终为0x0001。

  1. 协议类型 (Protocol Type)：表示要解析的协议类型，例如：
  1. 0x0800：表示IPv4地址解析。
  2. 0x86DD：表示IPv6（通常由ND协议替代ARP）。
  1. 硬件地址长度 (Hardware Address Length)：定义硬件地址（MAC地址）的长度，通常为6字节（以太网）。
  2. 协议地址长度 (Protocol Address Length)：定义协议地址（IP地址）的长度，通常为4字节（IPv4）。
  3. 操作码 (Operation Code)：说明ARP的操作类型：
  1. 1：ARP请求。
  2. 2：ARP响应。
  1. 发送方硬件地址 (Sender Hardware Address)：包含请求方设备的MAC地址。
  2. 发送方协议地址 (Sender Protocol Address)：包含请求方设备的IP地址。
  3. 目标硬件地址 (Target Hardware Address)：在ARP请求中，这一字段为空（全0）。在ARP响应中，包含目标设备的MAC地址。
  4. 目标协议地址 (Target Protocol Address)：包含目标设备的IP地址。

报文内容：

ARP Probe请求报文:

|报文解析|

Address Resolution Protocol (ARP Probe)      (ARP Probe请求报文，用于检测目标IP地址是否冲突)

    Hardware type: Ethernet (1)              (硬件类型：1 表示以太网)

    Protocol type: IPv4 (0x0800)             (协议类型：0x0800 表示IPv4)

    Hardware size: 6                         (硬件地址长度：6字节)

    Protocol size: 4                         (协议地址长度：4字节)

    Opcode: request (1)                      (操作码：1 表示ARP请求)

    [Is probe: True]                         (是否为探测：是，用于检测IP冲突)

    Sender MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12)        (发送方MAC地址：00:08:dc:12:22:12)

    Sender IP address: 0.0.0.0               (发送方IP地址：未分配，用于探测)

    Target MAC address: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00)      (目标MAC地址：全0，未指定)

    Target IP address: 192.168.1.105         (目标IP地址：192.168.1.105，探测对象)

|报文原文|

00 01 08 00 06 04 00 01 00 08 dc 12 22 12 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 69

ARP请求报文:

|报文解析|

Address Resolution Protocol (request)        (请求报文)

    Hardware type: Ethernet (1)              (硬件类型：1 表示以太网)

    Protocol type: IPv4 (0x0800)             (协议类型：0x0800 表示IPv4)

    Hardware size: 6                         (硬件地址长度：6字节)

    Protocol size: 4                         (协议地址长度：4字节)

    Opcode: request (1)                      (操作码：1 表示ARP请求)

    Sender MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12)        (发送方MAC地址)

    Sender IP address: 192.168.1.105         (发送方IP地址：192.168.1.105)

    Target MAC address: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00)      (未知目标设备的物理地址)

    Target IP address: 192.168.1.138         (目标IP地址：192.168.1.138，目标设备的IPv4地址)

|报文原文|

00 01 08 00 06 04 00 01 00 08 dc 12 22 12 c0 a8 01 69 00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 8a

ARP响应报文:

|报文解析|

Address Resolution Protocol (reply)          (响应报文)

    Hardware type: Ethernet (1)              (硬件类型：1 表示以太网)

    Protocol type: IPv4 (0x0800)             (协议类型：0x0800 表示IPv4)

    Hardware size: 6                         (硬件地址长度：6字节)

    Protocol size: 4                         (协议地址长度：4字节)

    Opcode: reply (2)                        (操作码：2 表示ARP响应)

    Sender MAC address: HP_b1:37:11 (64:4e:d7:b1:37:11)        (发送方MAC地址：64:4e:d7:b1:37:11)

    Sender IP address: 192.168.1.138         (发送方IP地址：192.168.1.138)

    Target MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12)            (目标MAC地址，ARP请求者的物理地址)

    Target IP address: 192.168.1.105         (目标IP地址：192.168.1.105，ARP请求者的IPv4地址)

|报文原文|

00 01 08 00 06 04 00 02 64 4e d7 b1 37 11 c0 a8 01 8a 00 08 dc 12 22 12 c0 a8 01 69

9 实现过程

接下来，我们看看如何在W55MH32上实现ARP请求。

注意：测试实例需要PC端和W55MH32处于同一网段。

步骤1：在主循环中调用do_arp()函数，执行ARP请求流程


    while (1)
    {
        do_arp(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip);;
    }

do_arp()函数如下所示：

void do_arp(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint8_t *dest_ip)
{
    uint16_t rlen       = 0;
    uint16_t local_port = 5000;
    uint16_t cnt        = 0;

    switch (getSn_SR(sn))
    {
    case SOCK_CLOSED:
        close(sn);
        socket(sn, Sn_MR_MACRAW, local_port, 0x00);
        break;
    case SOCK_MACRAW:
        arp_request(sn, local_port, dest_ip);

        while (1)
        {
            if ((rlen = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
            {
                arp_reply(sn, buf, rlen);
                break;
            }
            if (cnt > 1000)
            {
                printf("Request Time out.\r\n");
                cnt = 0;
                break;
            }
            else
            {
                cnt++;
                delay_ms(5);
            }
        }
        break;
    }
    if (arp_succ_flag)
        while (1);
}

进入该函数后，程序会执行一个状态机，当socket状态为关闭状态时开启一个MACRAW模式的socket。当socket成功打开为MAC RAW模式后，执行arp_request()函数发送ARP请求，然后进入一个循环，当成功接收到响应时，执行arp_reply()函数解析请求。当超过5秒未能得到响应时，则ARP请求失败。当arp_succ_flag标志位为1时，说明ARP请求成功。

arp_request()函数如下所示：

void arp_request(uint8_t sn, uint16_t port, uint8_t *dest_ip)
{
    uint16_t i;
    uint8_t  broadcast_addr[4] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff};

    for (i = 0; i < 6; i++)
    {
        pARPMSG.dst_mac[i] = 0xff; // Broadcast address in an Ethernet frame
        pARPMSG.tgt_mac[i] = 0x00;
        if (i < 4)
        {
            pARPMSG.tgt_ip[i] = dest_ip[i];
        }
    }
    getSHAR(pARPMSG.src_mac);              // Fill in the source MAC address of the link layer
    getSHAR(pARPMSG.sender_mac);           // Fill in the MAC address of the sender in ARP
    getSIPR(pARPMSG.sender_ip);            // Enter the IP address of the sender in ARP
    pARPMSG.msg_type = htons(ARP_TYPE);    // ARP type
    pARPMSG.hw_type  = htons(ETHER_TYPE);  // Ethernet type
    pARPMSG.pro_type = htons(PRO_TYPE);    // IP
    pARPMSG.hw_size  = HW_SIZE;            // 6
    pARPMSG.pro_size = PRO_SIZE;           // 4
    pARPMSG.opcode   = htons(ARP_REQUEST); // request: 0x0001;  reply: 0x0002

    if (sendto(sn, (uint8_t *)&pARPMSG, sizeof(pARPMSG), broadcast_addr, port) != sizeof(pARPMSG))
    {
        printf("Fail to send arp request packet.\r\n");
    }
    else
    {
        if (pARPMSG.opcode == htons(ARP_REQUEST))
        {
            printf("Who has %d.%d.%d.%d ?  Tell %d.%d.%d.%d\r\n", pARPMSG.tgt_ip[0], pARPMSG.tgt_ip[1], pARPMSG.tgt_ip[2], pARPMSG.tgt_ip[3],
                   pARPMSG.sender_ip[0], pARPMSG.sender_ip[1], pARPMSG.sender_ip[2], pARPMSG.sender_ip[3]);
        }
        else
        {
            printf("Opcode has wrong value. check opcode!\r\n");
        }
    }
}

在这个函数中，进行了ARP报文的组包以及发送。

arp_reply()函数如下所示：

void arp_reply(uint8_t sn, uint8_t *buff, uint16_t rlen)
{
    uint8_t  destip[4];
    uint16_t destport;
    uint8_t  ret_arp_reply[128];
    uint8_t  i;

    recvfrom(sn, (uint8_t *)buff, rlen, destip, &destport);

    if (buff[12] == ARP_TYPE_HI && buff[13] == ARP_TYPE_LO)
    {
        aAPRMSG = (ARPMSG *)buff;
        if ((aAPRMSG->opcode) == htons(ARP_REPLY))
        {
            for (i = 0; i < 4; i++)
            {
                if (aAPRMSG->tgt_ip[i] != pARPMSG.tgt_ip[i])
                {
                    break;
                }
                arp_succ_flag = 1;
            }
            memset(ret_arp_reply, 0x00, 128);
            sprintf((char *)ret_arp_reply, "%d.%d.%d.%d is at %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
                    aAPRMSG->sender_ip[0], aAPRMSG->sender_ip[1], aAPRMSG->sender_ip[2], aAPRMSG->sender_ip[3],
                    aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
                    aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);

            printf("%d.%d.%d.%d is at %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
                   aAPRMSG->sender_ip[0], aAPRMSG->sender_ip[1], aAPRMSG->sender_ip[2], aAPRMSG->sender_ip[3],
                   aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
                   aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);
        }
        else if ((aAPRMSG->opcode) == htons(ARP_REQUEST))
        {
            printf("Who has %d.%d.%d.%d ? Tell %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
                   aAPRMSG->tgt_ip[0], aAPRMSG->tgt_ip[1], aAPRMSG->tgt_ip[2], aAPRMSG->tgt_ip[3],
                   aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
                   aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);
        }
    }
    else
    {
        // printf("This message is not ARP reply: opcode is not 0x02!\r\n");
    }
}

在这个函数中，我们会将接收到的ARP报文进行校验，如果ARP报文为回复报文，并且回复的IP地址与我们请求的IP地址匹配时，将arp_succ_flag标志位置一，表示ARP请求成功。

10 运行结果

烧录例程运行后，首先可以看到进行了PHY链路检测，然后打印了设置的网络地址信息，然后是执行ARP请求以及请求结果，如下图所示：

11 总结

文讲解了如何在 W55MH32 芯片上通过 MAC RAW 模式实现 ARP 协议，将 IP 地址解析为 MAC 地址，通过实战例程展示了从发送 ARP 请求到接收并处理响应的完整过程。文章详细介绍了 MAC RAW 模式和 ARP 协议的概念、特点、工作流程、应用场景、安全风险及防护措施和报文格式，帮助读者理解其在局域网通信中的实际应用价值。

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WIZnet2012专栏
04-29 1785
本文详细解析了W55MH32芯片的高性能网络处理能力与硬件资源，以及两款开发板（L/Q-EVB）。芯片凭借TOE引擎、丰富外设及加密单元，为物联网设备提供高效解决方案；开发板通过集成仿真器与扩展接口，大幅降低开发门槛。文章为开发者提供了选型参考与快速入门指南，希望对您在学习、开发以太网相关产品时有所帮助。
深层解析ARP协议
mikumikuZuo的博客
06-02 2595
ARP状态机中，实际上生效的状态仅有reachable一项，当状态机从reachable进入stale状态的时候，为了保留neighbour结构体，优化内存以及CPU利用，实际上 arp缓存表项仅仅是表现为不可用，而不是直接删除。每一个ARP缓存表都对应的存在一个ARP状态机，而从图中可以看到 arp 缓存表仅在Reachable状态对于外发包是可用的，而Stale状态实际是不可用的，可以理解为Linux维护stale只是为了保留一个neighbour结构体，在其状态改变时只是个别字段得到修改或者填充。
W5500EVB发ARP请求包
WIZnet 中国社区官方博客
05-27 1602
硬件资料 硬件设计 工程下载 参考代码 实现步骤 因为ARP是建立在MAC层之上的，W5500的ARP是硬件实现的。W5500能分层读IP和MAC层协议。为了用软件给大家说明ARP的工作情况，需要使用W5500的MAC RAW工作模式。所谓MAC RAW模式，就是直接读取MAC层数据包。W5500只有Socket0 支持MAC RAW功能。 接收数据处理。MAC Raw 收到的是以太网的数据包，并带有数据包长度信息。在MAC Raw 数据包中，前面有两个字节的头，头的结构如下图 发送数据/发送处理。与U
ARP协议
Mrlie的博客
12-04 5853
一、概念 APR协议，全称Address resolution protocol，地址解析协议，属于TCP/IP协议簇中的网际层，但与MAC紧密相连，所以也有人说是属于2.5层。 二、目的 已知IP地址，获取其MAC地址。 三、原理 主机想要知道某个IP的MAC地址，查询自身ARP高速缓存表后，发现并没有，则构建一个ARP数据包（ARP请求），以广播的形式发送，广播域中，所有主机都能收到这个广播帧，非目的主机收到后，发现其IP地址与自身不匹配，则丢弃...
W5100常见问题解答汇总（持续更新中）
WIZnet2012专栏
01-30 8525
1.[问题]W5100的功耗是多少？ 正常运行：低于150mA 初始运行：190mA 我们建议设计应该是基于200mA的情况来处理。   2.[问题]W5100兼容5V电压吗？ W5100基于3.3V电压工作，I/O接口容忍5V电压。因此，如果你使用的MCU是5V的，你设计你的系统可以不用缓冲IC。   3.[问题]W5100的性能表现如何？ 根据MCU的接口，W5100的性能表
ARP 协议
2401_83601024的博客
05-22 3063
假设你的网关的 IP 地址是 192.168.0.2，MAC 地址为 00-11-22-33-44-55，那么你发送的数据都会从这个 MAC 地址经过，这时候我发送大量的 ARP 数据包，然而我的包是构造出来的，IP 依旧是你的 IP，但 MAC 地址却被我替换成了我的 MAC 地址。后者则表示需要映射的协议地址类型。：在发送 ARP 请求时，目标硬件地址是空着的（全为 0），因为 ARP 请求要请求的就是它的值，当目标设备请求收到后，就会把自己的硬件地址写到这个字段，并把操作码改成 2，再应答回去。
【博客626】不同类型的ARP报文作用以及ARP老化机制
qq_43684922的博客
02-18 3571
在上图中，我们看到只有arp缓存项的reachable状态对于外发包是可用的，对于stale状态的arp缓存项而言，它实际上是不可用的。如果此时有人要发包，那么需要进行重新解析，对于常规的理解，重新解析意味着要重新发送arp请求，然后事实上却不一定这样，因为Linux为arp增加了一个“事件点”来“不用发送arp请求”而对arp协议生成的缓存维护的优化措施，事实上，这种措施十分有效。
什么是免费ARP-看这篇就够了
热门推荐
jasonj333
03-23 2万+
免费ARP本质是ARP协议的实现，所以只要有支持TCP/IP的网卡，支持ARP协议，就有免费ARP。免费ARP报文就是ARP请求或ARP响应，只是它的目的并不是为了获取或告知MAC地址（虽然是通过获取或告知完成的），它的触发方式也不同（虽然是由ARP协议触发的） 免费ARP 免费ARP Gratuitous ARP，也称为“无故ARP”，在没有人问自己的情况下，无缘无故自问自答 功能 检测局域网内IP地址冲突 什么情况下触发ARP协议发送免费ARP 局域网IP地址冲突时，地址修改或变更时，DH.
W5500 使用总结
OnlyLove_的博客
10-08 1万+
一、资源 官网：WIZnet – 官方中文网站 (iwiznet.cn) 芯片资源：W5500 – WIZnet (iwiznet.cn) 驱动库：GitHub - Wiznet/ioLibrary_Driver: Create a repository of WIZnet ioLibrary. 二、W5500功能框图 三、接口 W5500 提供了 SPI（串行外部接口）作为外设主机接口，有 SCSn,SCLK, MOSI, MISO 共 4 路信号，且作为 SPI 从机工作。 W5500 支持 SPI 模
Wireshark抓包摸索（ARP、ICMP、TCP）
qq_51214556的博客
09-05 5464
什么是ICMP？因特网控制报文协议ICMP是一个差错报告机制，是TCP/IP协议簇中的一个重要子协议，通常被IP层或更高层协议（TCP/UDP）使用，属于网络层协议。主要用于在IP主机和路由器之间传递控制消息，用于报告主机是否可达、路由是否可用等。这些控制信息虽然并不传输用户数据，但是对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障以及用户数据的传递具有至关重要的作用。为什么需要ICMP？在数据传输过程中，IP提供尽力而为的服务，即为了把数据包发送到目的地址尽最大努力。
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