知識回顧

在前面的文章中，我們已經介紹了以太網卡的封裝接口，其中主要是以下幾個接口:

netdev_init():初始化網卡的ip地址、mac地址和mtu的值

netdev_receive():發送以太網幀數據

netdev_transmit():發送以太網幀數據

這幾個接口是我們封裝ARP數據接口的基礎，最好還是先搞明白原理。

ARP協議的由來

在上面，我們介紹netdev_receive()函數的時候，已經發現了以太網幀類型主要分兩大類型，一種是IP數據幀，另一種是ARP數據幀。也就是說ARP數據幀與IP數據幀同屬于網絡層的數據幀。如下圖:

IP數據幀我們知道，是用來傳輸用戶數據的。哪ARP數據幀有什么用呢?

其實，ARP協議是用來將目標主機的IP地址轉換為對應的以太網(MAC)地址的。因為當我們的應用程序要向目標主機發送信息時，它只知道目標主機的IP地址，而IP地址是無法直接用于物理鏈路上傳輸數據的，所以需要ARP數據幀來把IP地址轉化為對應的MAC地址。

我們可以主動發起ARP查詢幀，在本地建立起IP地址和MAC地址的映射關系，也必須要及時回復別人的ARP查詢幀！

ARP報文組織結構

ARP數據幀位于以太網數據幀的上一層，我們先來了解一下它的報文結構，如下圖:

我們來詳解學習一下，里面每個字段所代表的具體含義；

硬件協議：發送方想要知道的硬件接口類型，對于以太網接口來說，該值為1

協議類型：映射的協議地址類型，我們要把MAC地址映射為IP地址，該值為0x0800

硬件地址長度：對于MAC地址來說，該值為6

協議地址長度：對于IP地址來說，該值為4

OP：表示ARP數據包的具體類型，1為ARP請求，2為ARP應答

剩余四個字段的具體含義非常簡單易懂，就不羅列出來講解了。

了解ARP報文組織結構之后，下一步，自然就是用c語言結構體來構造這個ARP報文組織，level-ip的ARP報文組織結構體保存在includeethernet.h文件中，如下圖:

這兩個結構體的成員變量，與我們剛才介紹的ARP報文的每個字段是一一對應的，這里不再重復解析。

ARP請求發送接口

ARP數據幀的發送接口為arp_request()函數。該函數保存在src/arp.c文件中。當我們在發送IP數據幀時，如果在ARP緩存表中找不到該IP所對應的MAC地址時，就會通過廣播的形式，來進行ARP請求數據包的發送。

如下圖:

第8行，動態申請一個sk_buff來繼續發送數據的存儲。

第12行，選擇使用哪個網卡來繼續數據幀的發送

第13行，在sk_buff中，向前移動arp_ipv4結構體大小的位置，把得到的指針賦值給payload指針

第14行，用網卡(netdev)中記錄的源主機mac地址，填充arp-ipv4結構體中的源主機mac地址(smac)

第15行，填充arp-ipv4結構體中的源主機ip地址(sip)

第16行，用廣播地址(broadcast_hw)，填充arp-ipv4結構體中的目的主機mac地址(dmac)

第17行，填充arp-ipv4結構體中的目的主機ip地址(dip)

第18行，在sk_buff中，向前移動arp_hdr結構體大小的位置，把得到的指針賦值給arp指針

第19~29行，初始化ARP報文的硬件協議、協議類型、報文類型等等，htons()函數為進行數據的大小端切換。到這里ARP報文就初始化好了

第31行，調用netdev_transmit()函數，進一步構建以太網數據幀發送

ARP數據讀取接口

ARP數據接收接口為arp_rcv()函數。該函數在以太網數據幀讀取接口netdev_receive()函數中調用。我們來了解一下這個函數，如下圖:

第8行,從讀取到的數據中獲取arp數據幀

第10~12行，獲取arp數據幀中的硬件類型、協議類型、報文類型

第25~28行，獲取源主機和目的主機的ip地址

第30行，繼續arp緩存表數據的更新

第32行，判斷該arp數據幀，是不是發送給本機的

第37行，如果arp數據幀中的IP地址還沒有緩存在本機的ARP緩存表中的話，那么把這個IP地址插入到ARP緩存表中保存

第42行，判斷ARP數據幀的報文類型

第43、44行，如果報文類型為ARP請求幀，那么調用arp_reply()函數進行ARP應答幀的發送

ARP應答幀發送接口

在上面我們介紹ARP數據讀取接口時，當我們如果接收到了ARP請求幀，那么我們要調用arp_reply()函數進行ARP應答幀的發送,我們來學習一下這個函數。

如下圖:

第6行，獲取arp報文的數據

第8行，使用skb_reserve()函數來調整sk_buff中數據指針的位置，表示以太網首部和ARP報文的數據都還沒有填充

第9行，使用skb_push()函數，參數為ARP_HDR_LEN + ARP_DATA_LEN，表示填充了ARP報文

第11~28行，將該ARP請求數據包的源主機信息和目的主機信息交換位置，并把操作字段op置為2

第30行，選擇發送網卡

第32行，調用netdev_transmit()函數，進一步構建以太網數據幀發送

總結

通過我們這邊文章，我們已經明白了ARP協議的報文結構、ARP數據包的發送、ARP數據包的接收處理等等。知道了ARP協議在TCP協議棧中的重要地位。不過文中對ARP緩存表沒有做深入介紹，這是因為該知識點比較基礎，主要是對鏈表的插入、刪除等操作。