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ARP协议实现原理.txt
资源名称：ucos移植心得大全.rar　[点击查看]
上传用户：renruilai
上传日期：2007-05-03
资源大小：144k
文件大小：16k
源码类别：

嵌入式Linux

开发平台：

C/C++

ARP协议实现原理.txt：源码内容
  1.                  ARP协议实现原理
  2.           作者<asdjf@163.com> 2002/11/01
  4.     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。
  5.     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。
  6.     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。
  7.     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。
  8.     
  9.     ------------------------------
  10.     |状态|寿命ttl|IP地址 |MAC地址|        学习
  11.     ------------------------------
  12.     |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |  <---  老化
  13.     ------------------------------
  14.     |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |        更新
  15.     ------------------------------
  16.            图1 ARP缓存表                  表满处理
  17.     
  18.     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)
  19.     
  20.     %ls
  21.     
  22.      ARP table:
  23.      status     TTL      IP address      MAC address
  24.      =================================================
  25.        01        78     172.18.92.86     0050BABD4C7E
  26.      
  27.     %
  28.               图2 ARP缓存表显示内容举例
  29.               
  30.     
  31.              表满处理
  32.                 |
  33.                 v                               ARP请求
  34.             ---------             ----------- ---------->
  35.             |       |  学习/更新  |         | <- - - - -
  36.     老化--->| ARP表 |<------------| ARP处理 |
  37.             |       |             |         | - - - - - >
  38.             ---------             ----------- <----------
  39.                 ^                               ARP应答
  40.                 |学习/更新
  41.             ---------
  42.             |       |
  43.             | IP_in |
  44.             |       |
  45.             ---------
  46.                         图3 ARP处理过程
  47.                         
  48.     0                 8               16              24               31                    
  49.     ---------------------------------------------------------------------
  50.     |             硬件类型            |            协议类型             |
  51.     ---------------------------------------------------------------------
  52.     |硬件地址长度(HLEN)|协议长度(PLEN)|               操作              |
  53.     ---------------------------------------------------------------------
  54.     |                         发送方首部(八位组0-3)                     |
  55.     ---------------------------------------------------------------------
  56.     |      发送方首部(八位组4-5)      |      发送方IP地址(八位组0-1)    |
  57.     ---------------------------------------------------------------------
  58.     |     发送方IP地址(八位组2-3)     |        目标首部(八位组0-1)      |
  59.     ---------------------------------------------------------------------
  60.     |                         目标首部(八位组2-5)                       |
  61.     ---------------------------------------------------------------------
  62.     |                        目标IP地址(八位组0-3)                      |
  63.     ---------------------------------------------------------------------
  64.                                 图4 ARP包结构
  65.     
  66.     如图3，整个ARP处理过程，我主要用5个函数实现。ARP初始化(ARP_init)、ARP请求(ARP_request)、ARP应答(ARP_answer)、ARP回应处理(ARP_process)、IP包接收预处理(IP_in)。在实现网卡驱动程序后，所有ARP处理操作就是填写ARP包(ARP包结构见图4)，详见伪代码清单。
  67.     ARP_init完成ARP表初始化，概括说就是ARP表state字段清0。
  68.     ARP_request完成ARP请求操作。ARP协议要求程序根据子网掩码判断IP地址是否属于同一子网，如果在同一子网内，ARP请求目的MAC地址，否则请求默认网关MAC地址。
  69.     ARP_answer比较简单，只要交换ARP请求包地址内容，填写自己的MAC地址和很少的改动后发送即可。
  70.     ARP_process完成ARP回应回来的信息处理。主要进行ARP表的学习和更新。
  71.     IP_in完成IP包接收预处理，用于提取地址映射信息，以便主动学习和及时更新。我的程序不会主动学习不是发给自己IP地址的MAC地址信息，因为ARP表在51中的容量有限，只有频繁用到的地址对才应该存放在里面，否则一旦出现“颠簸”，ARP表就失效了。
  72.     有的ARP实现方案采用数据驱动方式，参数可配置，使用统一的程序，通过加载不同的配置数据，执行不同的操作。这样做使程序版本统一，不同的应用只要加载不同的配置数据即可，不用更换程序，有利于后期维护。但是考虑到51资源紧张和安全性，我的方案只能显示ARP表不允许修改其内容，用户可发挥想象力在此处增加新功能。另外，ARP程序应该记住上一次发过的请求，以避免重发，但同样考虑到资源紧张，也免了。其实无所谓，重发就重发了。表满处理采用有损性能的加速算法，快速有效。另外，本程序不能直接用于嵌入式网关产品。
  73.     uCOS51操作系统本身提供了良好的内存管理功能，我利用它设置了大中小三种缓冲区存放不同类型的数据包。内存使用前申请，使用后释放，有效利用了资源。
  74.     系统特点是：1.抢占式优先级；2.消息驱动；3.串行服务器模式。
  75.     系统优点是：1.等待时不耗费CPU资源；2.有超时保护，不会死锁；3.思路清晰易懂。
  76.     系统基于中断驱动，使用Int0做网卡中断输入口。ISR寄存器只用到4位：OVW 收溢出错/TXE 发被中断错/PTX  发送成功/PRX 接收成功。TCP/IP协议栈做成任务，脱离内核。整体框架如图5、6、7所示。主程序框架见伪代码清单(RxSem和TxSem初始化为0)
  77.     
  78.             ----------
  79.             |网卡中断|
  80.             ----------
  81.                 |
  82.                 V
  83.             ----------  |>
  84.             |发信号量|  |  收完/收溢出错
  85.             |SemPost |---->-------------- RxSemPost
  86.             ----------  |>
  87.                 |       |  发完/发被中断错
  88.                 ---------->-------------- TxSemPost
  89.           图5 网卡中断处理程序
  90.           
  91.           
  92.                 进入
  93.                  |   ------
  94.                  V   |    |                          发
  95.              ----------   |                       低优先级
  96.      ------> |  等待  |<---   
  97.      |       |TxQPend |<---------------------         -----
  98.      |       ----------                     |          | |
  99.      |           | TxQFIFO非空              |          | |
  100.      |           V                          |   ---<---| |---<---
  101.      |       ----------                     |   数据源 | |  各任务发送来的数据 
  102.      |       | 发送包 |                     |          | |
  103.      |       ----------                     |         -----
  104.      |           |                          |        TxQFIFO
  105.      |           V                          |
  106.      |   ---------------------              |
  107.      |   |    释放内存       |              |
  108.      |   |(包已存入网卡RAM里)|              |
  109.      |   ---------------------              |
  110.      |           |    -----                 |
  111.      |           V    |   |                 |
  112.      |       -----------  |                 |
  113.      |       |  等待   |<--                 | (等效发送包被抛弃)
  114.      |       |TxSemPend|<-----------        |
  115.      |       -----------           |        |
  116.      |           | 发完/超时       |        |
  117.      |           V                 |        |
  118.      | Y  ----------------    -----------   |
  119.      -<---| 发送成功吗？ |    |重发第n次|   |
  120.           |(无错且不超时)|    |   n<N   |   |
  121.           ----------------    -----------   |
  122.                  | N              /^       |
  123.                  V         N       |        |
  124.            ------------------>------        |
  125.            |已发了N次吗？|---------->--------
  126.            ---------------       Y
  127.               
  128.               图6 发送流程图
  129.               
  130.               
  131.                                     进入
  132.                                      |   -----
  133.                                      V   |   |                       收
  134.                                 -----------  |                    高优先级
  135.              ------------------>|   等待  |<--
  136.              |        --------->|RxSemPend|<---------------
  137.              |        |         -----------       /|    /|
  138.              |        |              | 收到包 或   |      |
  139.              |        |              V 收错 或     |      |
  140.              |        |              | 超时        |      |
  141.              |        |         -----------        |  ----------
  142.              |        |         |存并清ISR|        |  |复位网卡|
  143.         -----------   |         -----------        |  ----------
  144.         |RxSemPost|   |              |             |   /^  /^
  145.         -----------   |              V             |    |    |
  146.              |        |      --------------------  |    |    |
  147.              |        |      |超时且无新包且无错| Y|    |    |
  148.              |        |      |    (防死锁)      |->-    |    |
  149.              |        |      --------------------       |    |
  150.             /|       |(不执行       | N                |    |
  151.              |        |RxSemPost)    V                  |    |
  152.              |        |         ------------  Y         |    |
  153.              |        |         | 收溢出错 |--->---------    |
  154.              |        |         | ISR之OVW |                 |
  155.              | Y      | N       ------------                 |
  156.         ------------------           | N                     |
  157.         |网卡中还有包吗？|           V                       |
  158.         |  CURR!=BNRY+1  | ------------------------  Y       |
  159.         ------------------ |读出包头，查有无逻辑错|--->-------
  160.                |           ------------------------
  161.               /|                    | N
  162.                |                     V
  163.                |           ------------------------
  164.            ----------      |按包长度申请合适的大中|
  165.            |释放内存|      |小号内存，并存入整个包|
  166.            ----------      |，再调整BNRY          |
  167.              /^ /^       ------------------------
  168.               |   |                  |
  169.               |   |                  V
  170.               |   |   N  ----------------------------
  171.               |   ---<---|是否是发给自己IP地址的包？|
  172.               |          ----------------------------
  173.               |                      | Y
  174.               |                      V
  175.               |                 ------------
  176.               |                 |  包分发  |
  177.               |                 ------------
  178.               |                      |
  179.               |                      V
  180.               |           ----------------------------
  181.               |           |        |        |        |
  182.               |           V      -------------------------- IP_in过滤
  183.               |           |        V        V        V
  184.               |          ARP   ICMP(Ping)  UDP      TCP
  185.               |           |        |        |        |
  186.               |           ----------------------------
  187.               |                      | 串行处理
  188.               |                      | (32bitMCU可设计成并发模式)
  189.               |---------<-------------
  190.                  
  191.                               图7 接收流程图
  192.          
  193.     我仔细检查了几遍，似乎比较完备了，各种情况下均可以正常工作。在超负荷流量下，只会抛包，不会死机。当然，由于本人接触资料有限和个人局限性，肯定有错误和疏漏之处，希望大家提出意见和建议。
  194.     
  195. 伪代码清单:
  196. ARP_init() //ARP缓存初始化
  197. {
  198.   for(i=0;i<ARPTabSize;i++)
  199.     ARPTable[i].status=0;
  200. }
  202. ARP_request(目的IP地址) //ARP请求
  203. {
  204. //判断IP地址是否属于同一子网的任务交给上层软件处理
  205. //(由它决定请求网卡IP地址还是默认网关IP地址)，
  206. //这有利于减少代码量。
  208.   //申请小号内存
  209.   pARP=OSMemGet();
  211.   //填以太网帧
  212.   以太网协议=0x0806;//ARP协议
  213.   目的MAC地址=0xffff;//广播地址
  214.   源MAC地址=自己的MAC地址;
  216.   //填ARP表
  217.   硬件类型=0x0001;
  218.   协议类型=0x0800;
  219.   硬件地址长度=0x06;
  220.   协议长度=0x04;
  221.   操作=0x0001;//请求
  222.   发送方首部=自己的MAC地址;
  223.   发送方IP地址=源IP地址;
  224.   目标首部=0x0000;
  225.   目标IP地址=目的IP地址;
  226.   
  227.   //填充PAD
  228.   没有内容处填充0;
  230.   //发送ARP包至TxQFIFO缓存
  231.   OSQSend(QID,*pARP);
  232. }
  234. ARP_answer(*pARP) //ARP应答
  235. {
  236.   学习/更新ARP缓存表;
  237.   
  238.   //修改收到的ARP包，形成ARP应答
  239.   //填以太网帧
  240.   目的MAC地址=对方(网卡/网关)发来的源MAC地址;
  241.   源MAC地址=自己的MAC地址;
  243.   //填ARP表
  244.   目标首部=发送方首部;发送方首部=自己的MAC地址;
  245.   交换发送方IP地址和目标IP地址;
  246.   操作=0x0002;//ARP应答
  248.   //发送ARP包至TxQFIFO缓存
  249.   OSQSend(QID,*pARP);
  250. }
  252. ARP_process(*pARP) //ARP应答处理
  253. {
  254.   //更新
  255.   for(i=0;i<ARPTabSize;i++){
  256.     if(ARPTab[i].status==1){
  257.       if(ARPTab[i].IPAdr==收到的ARP应答包源IP地址){
  258.         ARPTab[i].ttl=最大寿命;
  259.         ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
  260.         ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
  261.         return;
  262.       }
  263.     }
  264.   }
  265.   
  266.   //学习
  267.   for(i=0;i<ARPTabSize;i++){
  268.     if(ARPTab[i].status==0){
  269.       ARPTab[i].status=1;
  270.       ARPTab[i].ttl=最大寿命;
  271.       ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
  272.       ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
  273.       return;     
  274.     }
  275.   }
  277.   //表满处理，有损性能的快速算法
  278.   ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。
  279.   ARPTab[index].ttl=最大寿命;
  280.   index++;
  281.   if(index>=ARPTabSize) index=0;
  282. }
  284. IP_in(*pIP) //IP包过滤(ARP地址学习) 注：这里处理的是IP包，伪代码与上面程序相似，但源代码差别很大。
  285. {
  286.   //更新
  287.   for(i=0;i<ARPTabSize;i++){
  288.     if(ARPTab[i].status==1){
  289.       if(ARPTab[i].IPAdr==收到的IP包源IP地址){
  290.         ARPTab[i].ttl=最大寿命;
  291.         ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
  292.         ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
  293.         return;
  294.       }
  295.     }
  296.   }
  297.   
  298.   //学习
  299.   for(i=0;i<ARPTabSize;i++){
  300.     if(ARPTab[i].status==0){
  301.       ARPTab[i].status=1;
  302.       ARPTab[i].ttl=最大寿命;
  303.       ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;
  304.       ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;
  305.       return;     
  306.     }
  307.   }
  309.   //表满处理，有损性能的快速算法
  310.   ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。
  311.   ARPTab[index].ttl=最大寿命;
  312.   index++;
  313.   if(index>=ARPTabSize) index=0;
  314. }
  316. timer() //软定时器任务，用于ARP老化
  317. {
  318.   for(;;){
  319.     taskDelay(1秒);
  320.     for(i=0;i<ARPTabSize;i++){
  321.       if(ARPTab[i].status==1){
  322.         if(ARPTab[i].ttl==0)
  323.           ARPTab[i].status=0;
  324.         else
  325.           ARPTab[i].ttl--;
  326.     }
  327.   }
  328. }
  330. 主程序框架：
  331.     initNIC    //初始化网卡
  332.     //创建资源
  333.     TxSem和RxSem信号量
  334.     TxQFIFO队列
  335.     大中小内存设立
  336.     //创建任务
  337.     收
  338.     发
  339.     。
  340.     。
  341.     。
  342.     
  343. 参考文献：
  344. 1。《用TCP/IP进行网际互连》(第3版)第一、二、三卷 DOUGLAS E.COMER著 电子工业出版社
  345. 2。www.laogu.com
  346. 3。www.sics.se/~adam/lwip/ 的uip6