lwip源码分析 ARP 分析

1.         ARP:

从功能上来说，arp可以简单的分成两个部分：

a.       当我要向目的ip发送一个数据包的时候，需要通过arp实现ip到物理地址（一般为mac地址）的映射------------》ethernet_output函数

b.       处理输入包，更新arp缓存，如果是ip包后递交给ip层，如果是arp包，对于不同的arp操作做相应的相应------------》etharp_input函数。

 

ethernet_input函数：

以太网的帧类型可以是：IP，ARP 甚至可以是pppoe， wlan等。这里主要分为IP, ARP(注意：ip arp在以太网的帧类型中是并列的，所以在input这个函数中分为ip，arp两大部分)

对于ip类型的：主要工作就是看是否开启了ETHARP_TRUST_IP_MAC这个选项，如果开启了就是要用这个帧中的信息来更新arp缓冲（利用帧首部的源mac地址和帧数据中ip报文中的源ip地址），然后丢弃以太网帧首部传递给ip层（即ip_input）。

 

对于arp类型的：同样先更新arp缓存，然后判断arp报文的操作类型，在lwip中对于arp数据包实现了两种操作：（rarp请求，rarp响应已经几乎淘汰了）

a．arp请求：首先判断这个包是不是给本机的，如果是给本机的，在原有包的基础上重组一个回应包并发出（注意此处并没有重新分配一个pbuf，而是借用了原来的缓冲结构）。如果不是本机的忽略。、

b．arp回应：主要的工作是更新arp缓存，但是这一步已经在arp包刚进来的时候就处理了，所以这里不需要再重复做，这里有一些dhcp的东东，暂时还未涉及到。

 

这里无论是ip类型，还是arp类型，都会更新arp缓存，也就是我们的

update_arp_entry(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct eth_addr *ethaddr, u8_t flags)，其中netif是对应的网络接口，ipaddr和ethaddr分别是对应的ip地址和mac地址。这个函数中会去更新arp缓存，并且把这个arp表项的等待的队列通过发送函数发送出去（）。

update_arp_entry：先通过调用find_entry找到对应ipaddr对应的表项——>设置相应的arp选项的成员（主要是state， netif， ethaddr， cttime）——>如果定义了arp_queue的话，并且这个arp表项上有未发送队列的话，把这些队列发送出去。其中find_entry这个函数蛮重要的，下面解释下这个函数的流程。

find_entry：

1.       lwip有一个比较巧妙的地方，它并不是冲上去就是就把arp缓存中所有的表项搜索一遍，而是做了一个假设，假设这次的表项索引还是上一次的，if so ,we are really fast!（因为在很多情况下就是这样的）

2.       首先搜索分成三类，empty，suspending，stable。第一个是对状态为empty的检查，arp表项中第一个状态为empty的索引号，第二个对状态为suspend的检查，分成三部分，首先判断是否恰好为此次想要的ip对应的索引，如果是直接返回；不是的话又分这个索引是有queue还是没有queue，分别记录这两种类型中cttime最大的一个索引，第三个是对状态为stable的检查，分成两部分，首先判断是否恰好为此次想要的ip对应的索引，如果是直接返回；不是的话，记录状态为stable中cttime最大的（时间戳，最老的）。

因此这部分，主要做了两件事：

●如果arp缓存中有现成的索引，则直接返回（状态时suspend和stable）；

●通过索引记录几个重要的参数：a. arp表项中第一个状态为empty的索引号 b. arp表项中最老的状态为suspend的有queue的索引号 c. arp表项中最老的状态为suspend的没有queue的索引号 d. arp表项中最老的状态为stable的索引号。这些参数是在arp缓存没有现成索引号时，会根据优先级来对这四个参数来选择或删除表项。优先级等级一次为：empty——》oldest stable——》oldest pending without queue——》oldest pending with queue

3.       arp没有现存的缓存，而状态又不是empty的选项，意味着需要在里面删除现有的arp选项，这里则需要调用snmp_delete****，由于snmp的东东暂时还未看到，这里就不详细讲了。

4.       最后更新表项的一些成员，有状态，时间戳，索引缓存

ethernet_output函数：

由于是发送ip数据包，所以一开始需要增加缓冲区大小，大小为以太网的数据首部的大小。然后检查ip地址，可以分为广播包，多播包，单播包(单播包又分为是局域网内部还是局域网外面)

广播包：判断目的ip地址是不是为全1，或者是全0（老版本中使用的），如果是广播包则目的ip的mac地址不需要查询arp缓存或者发送arprequest，mac地址为全一，即0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff。

多播包：判断目的ip地址是不是d类地址，即eXXXX，如果是多播的话，mac地址也是确定的，即将ip地址的低23位映射到mac地址为01-00-5e-00-00-00的低23位上。

单播包：要比较目的ip和本地ip地址，看是否是局域网内的，不是局域网内的，则调用默认网关的地址，然后再统一调用etharp_query(netif, ipaddr, q);函数

而广播包和多播包则无需调用etharp_query(netif, ipaddr, q);函数，因为已经得到了明确的mac地址，基本只需要添加以太网帧首部然后发送即可。

 

etharp_query：大概流程如下：

a．  先通过ipaddr利用函数find_entry找到arp缓存中的索引号

b．  根据索引号就能得到arp的对应项，此时根据项的state分成三大类，

empty：说明原来表项中是没有这个arp缓存的，所以把表项状态切换为pending并发送arp_requst包，把待发送的数据放在这个entry（表项）的队列上，系统在input的时候解析了这个ip后会发送（具体可以看前面input中的讲解）；

pending：说明这个ip原来就有了，我们再重新发一次arp_request，同样把待发送数据放在队列上；

stable：说明在arp缓存中ip地址已经有了解析的mac地址，此时又分成两类，一类是数据包不为空，则直接调用etharp_send_ip函数发送；第二类是如果数据包为空，则说明是一个request包，还是调用arp_request

 

下面我们就一个lwip典型的UDP协议工作过程作为对lwip的简单介绍。

UDP发送过程：

1．应用层：绑定UDP套接字
我们必须先创建一个UDP套接字，通过调用udp_new()进行申请，然后调用udp_bind()绑定在UDP端口上，在这个调用过程中，我们必须编写一个用于处理这个UDP套接字接收到的数据报文的函数，并把这个函数作为udp_bind()的参数，以后当套接字接收到数据报文时会自动调用这个函数，我们将在后面介绍这个函数怎么调用的。绑定结束之后，必须调用udp_connect()将数据报文的目的地址绑定在UDP的数据结构中，最后就是调用udp_send()把数据报文发送出去。

2．传输层的处理
做好应用层的处理之后，数据报文被提交到UDP层，udp_send()函数中首先给数据报文加入UDP头部，然后调用ip_route()选择一个合适的网络接口进行发送，最后调用ip_output()把数据报文传入IP层。

3．IP层的处理
ip_route()函数比较各个网络接口的IP地址是否与目的IP地址在同一子网中，如果有，就把它当成发送的网络接口返回，如果没有就返回一个默认的网络接口。
在ip_output()函数中，先给数据报文加上IP头部，然后比较目的IP地址与网络接口的IP地址是否在同一网段，如果不是，就必须先把数据报文发送到网关，于是使用网关的IP地址作为目的主机，如果目的IP地址与网络接口的IP地址在同一网段，则把目的IP地址作为目的主机。接着调用arp_lookup()在ARP缓存中查找目的主机的MAC地址，找到了调用ethernet_output()把数据报文传入到数据链路层发送，如果找不到，就调用arp_query()发送ARP请求解析目的主机的MAC地址。

4．ARP协议的处理
arp_lookup()实现在本地ARP缓存中查找目的主机的MAC地址，找到了返回该MAC地址，找不到返回NULL。
arp_query()函数中构造一个ARP请求报文，然后调用ethernet_output()把该报文送到数据链路层发送。

5． 数据链路层的处理
数据链路层的处理就是给数据报文添上相对的以太网头部，然后调用lowlever_output()直接把报文传送出去。