ARP层协议解读及ARP层代码实现

爱学习的张哥

于 2025-01-07 11:19:18 发布

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分类专栏： FPGA实现UDP协议栈文章标签：网络 fpga开发 udp tcp/ip

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ARP协议解读

ARP（地址解析协议，Address Resolution Protocol）是一个用于将网络层（IP地址）地址转换为数据链路层（MAC地址）地址的协议。它通常在局域网（LAN）中使用，尤其是在以太网网络中。当一个设备想要与另一设备通信时，它首先需要知道目标设备的MAC地址，而ARP协议就是完成这一转换过程的工具。
ARP协议的基本流程
设备发送ARP请求：当一个设备（比如主机A）需要与另一个设备（主机B）通信，但只知道目标的IP地址时，主机A会发送一个ARP请求广播包，内容包括：

目标IP地址（主机B的IP地址）。
发送者的IP地址和MAC地址（主机A的IP和MAC）。
ARP请求广播：ARP请求包会被广播到同一局域网中的所有设备。

目标设备响应ARP请求：目标设备（主机B）收到ARP请求后，检查其IP地址。如果该请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，主机B将发送一个ARP应答包，内容包括：

目标设备的IP地址（主机B的IP）。
目标设备的MAC地址（主机B的MAC）。
发送者的IP地址和MAC地址。

主机A收到响应并缓存：主机A收到ARP应答后，更新其ARP缓存表，记录下目标设备的IP地址与MAC地址的映射关系，之后它可以直接用该MAC地址与主机B通信。
ARP协议报文结构
ARP报文通常包含以下几个字段：

硬件类型（Hardware Type）：指定网络类型，通常为1，表示以太网（Ethernet）。
协议类型（Protocol Type）：指定使用的协议类型，通常为0x0800，表示IPv4。
硬件地址长度（Hardware Address Length）：指定硬件地址的长度（以字节为单位），以太网中为6个字节。
协议地址长度（Protocol Address Length）：指定协议地址的长度，IPv4地址为4个字节。
操作码（Operation Code）：指定ARP报文的类型。常见的操作码有：
1：ARP请求（Request）。
2：ARP应答（Reply）。
发送者硬件地址（Sender Hardware Address）：发送方的MAC地址。
发送者协议地址（Sender Protocol Address）：发送方的IP地址。
目标硬件地址（Target Hardware Address）：目标方的MAC地址（在ARP请求中为空）。
目标协议地址（Target Protocol Address）：目标方的IP地址。
ARP协议报文结构图如下所示
在这里插入图片描述
无论是请求包或者是应答包，其报文组成都是一致的，区别只在于内部填充的内容

ARP协议报文组包与解包

ARP报文组包
首先讨论ARP_TX的代码逻辑，其输入接口应该具备可以接收用户希望向上位机发送ARP请求包的使能命令，并且代码中进行相应的请求包组包，并且可以接收上位机传来的ARP请求，并进行相应的应答包组包。接下来进行ARP组包（请求与应答包的组包逻辑）
仿真测试1：当输入接口的arp操作码值为2，代表用户想要上位机应答，即向上位机发送请求包，当输入接口的arp操作码值为1，代表上位机想要FPGA端进行应答，即向上位机发送应答包，注意，这里的操作码输入不只是来自于ARP_RX解析到的操作码，而是另有逻辑控制，即对ARP_TX进行输入的操作码来自于用户的上位机两个单元，ARP_TX只接收用户的2值操作码与上位机的1值操作码。进行FPGA向上位机发送请求包的仿真测试，请求IP为192.168.1.20，因为不知道目的MAC地址，故填充全FF。并且在末尾填充0，进行以太网最小帧长处理操作。

在这里插入图片描述
通过仿真结果可知，成功进行了ARP请求包的组包。

ARP报文解包
ARP解包是对上位机传输来的ARP报文进行解析，判断当前ARP报文要访问的IP地址为板卡IP后，将解析出来的操作码，上位机IP地址与mac地址进行输出，当操作码为1时，将操作码，上位机IP地址，mac地址，传输给ARP_TX。当操作码为2时，表示上位机的ARP应答，将收到的IP与MAC地址，传输给ARP_LIST，ARP缓存表。进行对应IP与MAC的缓存。
仿真测试2：ARP_RX接收到上位机传输来的ARP请求包。进行解析，上位机IP地址为192.168.1.20，MAC地址为A5-67-B3-A6-D5-E6

由图可知，在仿真中，ARP_RX的输入接口按照ARP报文格式传来了ARP请求包，末尾的0填充在这里进行了省略。
接下来进行解析，所谓的解析，也就是判断固定位置的信息，以及缓存固定位置的信息，主要是源MAC-IP，目的MAC-IP

在这里插入图片描述
由图可知，成功解析了ARP请求包，并将上位机的MAC-IP地址进行了输出。
接下来看 ARP_TX收到ARP请求操作，是否能做出正确应答，板卡IP地址为192.168.1.10，MAC地址为11-22-33-44-55-66

对照ARP报文格式表，可以验证，进行了正确的ARP应答包发送

ARP缓存表控制逻辑
所谓的ARP缓存表即缓存每个IP地址对应的MAC地址，在windows中，可以在命令行中通过arp -a进行缓存表的查看，
在FPGA的逻辑实现中，使用一单口RAM进行功能实现，单口RAM位宽设置为80位，高32位为IP地址，低48位为MAC地址。ARP缓存表支持IP-MAC的缓存，也支持输入IP进行相应MAC地址的查询。
其逻辑较为简单，即当要查询某一IP时，遍历RAM，查看RAM中是否有这一IP，若有，则将IP对应的MAC地址进行输出，若没有，则输出信息，不存在该IP与对应的MAC地址，若要进行IP-MAC缓存，则遍历RAM，看当前表内是否缓存了该IP信息，若没有缓存，则进行缓存，若缓存了，则不进行重复缓存。遍历RAM相对来说，会浪费几个时钟周期，因为在程序初始时期,ARP缓存表必然是不满的，或者说是空的，所以可以设定有指示指针，指示当前的缓存表有效尾部，每次遍历只遍历到尾部+1，减少遍历次数，若要进行缓存，则将尾部指针+1即可。

仿真测试3：缓存192.168.1.10，11-22-33-44-55-66，缓存192.168.1.20，A5-67-B3-A6-D5-E6；查询192.168.1.10对应的MAC地址；再次缓存192.168.1.20，A5-67-B3-A6-D5-E6；
在这里插入图片描述
两次缓存成功，分别缓存到了0地址和1地址

查询IP地址对应的MAC地址成功，输出MAC地址11-22-33-44-55-66，res为01表示存在该ip与mac地址

再次缓存192.168.1.20，A5-67-B3-A6-D5-E6，显示该IP地址与MAC地址已经存在于ARP缓存表
以上仿真全部成功。ARP的整体逻辑实现完毕。