ARP协议实现原理(以单片机51为例)

 ARP协议实现原理
          作者<asdjf@163.com> 2002/11/01

    ARP是Address Resolution Protocol的缩写。中文译做“地址解析协议”，本质是完成网络地址到物理地址的映射。从概念上讲就是找到一个映射方法f，使得“物理地址 = f(网络地址)”。物理地址有两种基本类型：以太网类型和proNET令牌环网类型，网络地址特指IP地址，对映射方法的要求就是高效。具体到以太网，它使用的是动态绑定转换的方法。为什么不直接使用同一种地址，而要这么麻烦呢？因为TCP/IP网络就是为将不同种类计算机互联而发明的，它的体系结构是分层的，层和层之间相互独立，改变物理层的实现不会影响到网络层。
    32位IP地址到以太网48位物理地址的映射，采用动态绑定转换的方法会遇到许多细节问题，例如：减少广播，ARP包丢失，物理地址变更(更换网卡)、移动(移动设备到另一子网)、消失(关机)等。一般是设置ARP高速缓存，通过学习、老化、更新、溢出算法处理ARP映射表来解决这些问题。其中，学习指ARP收到任何指向本节点IP地址的ARP/IP包，从中提取出地址对，而ARP缓存中无对应项时，由ARP接收部分添加；老化指为每项设置寿命域，以便代谢掉陈旧的地址映射项；更新指ARP提取到新的地址对时，用其更新缓存里已有的对应项；溢出算法指当缓存满时，采取何种方法替换旧有的地址对儿。
    我找到了几个TCP/IP源代码，对比他们的实现，深感差别巨大，灵活多变。有的代码未实现ARP缓存，只用几个全局变量记录源目的IP地址和源目的MAC地址，每次通信前直接操作全局变量，这在使用51单片机，进行点对点通信时不失为一个有效的方案；而有的代码庞大复杂，细节处理精益求精。比如实现了ARP高速缓存、支持多址节点、支持网管查看/动态改变ARP相关参数、重发处理、支持IPv6等。我的看法是：ARP的本质是地址转换，只要抓住这个灵魂，设计的大方向就把握住了。具体实现过程各具特色，因人而异，没有统一要求，有些功能可以不实现，有些优点不能兼得，而唯一不变的只有思想。
    我参考了几种已有的IP协议栈并结合51单片机的特点，实现了自己的基于uCOS51的TCP/IP协议栈方案。它只是一种具体的实现范例，不同的人有不同的设计方法。我保证自己的方案可以正常使用并具有较好的完备性。
    
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    |状态|寿命ttl|IP地址 |MAC地址|        学习
    ------------------------------
    |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |  <---  老化
    ------------------------------
    |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |        更新
    ------------------------------
           图1 ARP缓存表                  表满处理
    
    如图1所示，ARP缓存表由状态、寿命、IP地址、MAC地址4个字段组成。状态字段指示地址对是否有效(0-空闲 1-占用)；寿命字段用于老化操作，初始存入最大值，以后由OS时间函数调用，每秒减1，直至为0清除；IP地址和MAC地址字段保存网络地址和物理地址的映射。此处，没有设计发送数据链表首指针和重发记数字段，我把重发操作交给上层软件统一处理，这是本程序的特色。围绕ARP缓存表，完成了4种操作：学习、老化、更新、表满处理，详见伪代码清单。使用OS的Shell命令ls可以查看ARP表的内容，但不支持修改，这个功能对测试很有用。(显示内容举例如图2所示)
    
    %ls
    
     ARP table:
     status     TTL      IP address      MAC address
     =================================================
       01        78     172.18.92.86     0050BABD4C7E
     
    %
              图2 ARP缓存表显示内容举例
              
    
             表满处理
                |
                v                               ARP请求
            ---------             ----------- ---------->
            |       |  学习/更新  |         | <- - - - -
    老化--->| ARP表 |<------------| ARP处理 |
            |       |             |         | - - - - - >
            ---------             ----------- <----------
                ^                               ARP应答
                |学习/更新
            ---------
            |       |
            | IP_in |
            |       |
            ---------
                        图3 ARP处理过程
                        
    0                 8               16              24               31                    
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    |             硬件类型            |            协议类型             |
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    |硬件地址长度(HLEN)|协议长度(PLEN)|               操作              |
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    |                         发送方首部(八位组0-3)                     |
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    |      发送方首部(八位组4-5)      |      发送方IP地址(八位组0-1)    |
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