ARP協議實現原理
          作者<asdjf@163.com> 2002/11/01

    ARP是Address Resolution Protocol的縮寫。中文譯做“地址解析協議”，本質是完成網絡地址到物理地址的映射。從概念上講就是找到一個映射方法f，使得“物理地址 = f(網絡地址)”。物理地址有兩種基本類型：以太網類型和proNET令牌環網類型，網絡地址特指IP地址，對映射方法的要求就是高效。具體到以太網，它使用的是動態綁定轉換的方法。為什么不直接使用同一種地址，而要這么麻煩呢？因為TCP/IP網絡就是為將不同種類計算機互聯而發明的，它的體系結構是分層的，層和層之間相互獨立，改變物理層的實現不會影響到網絡層。
    32位IP地址到以太網48位物理地址的映射，采用動態綁定轉換的方法會遇到許多細節問題，例如：減少廣播，ARP包丟失，物理地址變更(更換網卡)、移動(移動設備到另一子網)、消失(關機)等。一般是設置ARP高速緩存，通過學習、老化、更新、溢出算法處理ARP映射表來解決這些問題。其中，學習指ARP收到任何指向本節點IP地址的ARP/IP包，從中提取出地址對，而ARP緩存中無對應項時，由ARP接收部分添加；老化指為每項設置壽命域，以便代謝掉陳舊的地址映射項；更新指ARP提取到新的地址對時，用其更新緩存里已有的對應項；溢出算法指當緩存滿時，采取何種方法替換舊有的地址對兒。
    我找到了幾個TCP/IP源代碼，對比他們的實現，深感差別巨大，靈活多變。有的代碼未實現ARP緩存，只用幾個全局變量記錄源目的IP地址和源目的MAC地址，每次通信前直接操作全局變量，這在使用51單片機，進行點對點通信時不失為一個有效的方案；而有的代碼龐大復雜，細節處理精益求精。比如實現了ARP高速緩存、支持多址節點、支持網管查看/動態改變ARP相關參數、重發處理、支持IPv6等。我的看法是：ARP的本質是地址轉換，只要抓住這個靈魂，設計的大方向就把握住了。具體實現過程各具特色，因人而異，沒有統一要求，有些功能可以不實現，有些優點不能兼得，而唯一不變的只有思想。
    我參考了幾種已有的IP協議棧并結合51單片機的特點，實現了自己的基于uCOS51的TCP/IP協議棧方案。它只是一種具體的實現范例，不同的人有不同的設計方法。我保證自己的方案可以正常使用并具有較好的完備性。
    
    ------------------------------
    |狀態|壽命ttl|IP地址 |MAC地址|        學習
    ------------------------------
    |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |  <---  老化
    ------------------------------
    |  0 |   FF  |X:X:X:X| XXXX  |        更新
    ------------------------------
           圖1 ARP緩存表                  表滿處理
    
    如圖1所示，ARP緩存表由狀態、壽命、IP地址、MAC地址4個字段組成。狀態字段指示地址對是否有效(0-空閑 1-占用)；壽命字段用于老化操作，初始存入最大值，以后由OS時間函數調用，每秒減1，直至為0清除；IP地址和MAC地址字段保存網絡地址和物理地址的映射。此處，沒有設計發送數據鏈表首指針和重發記數字段，我把重發操作交給上層軟件統一處理，這是本程序的特色。圍繞ARP緩存表，完成了4種操作：學習、老化、更新、表滿處理，詳見偽代碼清單。使用OS的Shell命令ls可以查看ARP表的內容，但不支持修改，這個功能對測試很有用。(顯示內容舉例如圖2所示)
    
    %ls
    
     ARP table:
     status     TTL      IP address      MAC address
     =================================================
       01        78     172.18.92.86     0050BABD4C7E
     
    %
              圖2 ARP緩存表顯示內容舉例
              
    
             表滿處理
                |
                v                               ARP請求	
            ---------             ----------- ---------->
            |       |  學習/更新  |         | <- - - - -
    老化--->| ARP表 |<------------| ARP處理 |
            |       |             |         | - - - - - >
            ---------             ----------- <----------
                ^                               ARP應答
                |學習/更新
            ---------
            |       |
            | IP_in |
            |       |
            ---------
                        圖3 ARP處理過程
                        
    0                 8               16              24               31                    
    ---------------------------------------------------------------------
    |             硬件類型            |            協議類型             |
    ---------------------------------------------------------------------
    |硬件地址長度(HLEN)|協議長度(PLEN)|               操作              |
    ---------------------------------------------------------------------
    |                         發送方首部(八位組0-3)                     |
    ---------------------------------------------------------------------
    |      發送方首部(八位組4-5)      |      發送方IP地址(八位組0-1)    |
    ---------------------------------------------------------------------
    |     發送方IP地址(八位組2-3)     |        目標首部(八位組0-1)      |
    ---------------------------------------------------------------------
    |                         目標首部(八位組2-5)                       |
    ---------------------------------------------------------------------
    |                        目標IP地址(八位組0-3)                      |
    ---------------------------------------------------------------------
                                圖4 ARP包結構
    
    如圖3，整個ARP處理過程，我主要用5個函數實現。ARP初始化(ARP_init)、ARP請求(ARP_request)、ARP應答(ARP_answer)、ARP回應處理(ARP_process)、IP包接收預處理(IP_in)。在實現網卡驅動程序后，所有ARP處理操作就是填寫ARP包(ARP包結構見圖4)，詳見偽代碼清單。
    ARP_init完成ARP表初始化，概括說就是ARP表state字段清0。
    ARP_request完成ARP請求操作。ARP協議要求程序根據子網掩碼判斷IP地址是否屬于同一子網，如果在同一子網內，ARP請求目的MAC地址，否則請求默認網關MAC地址。
    ARP_answer比較簡單，只要交換ARP請求包地址內容，填寫自己的MAC地址和很少的改動后發送即可。
    ARP_process完成ARP回應回來的信息處理。主要進行ARP表的學習和更新。
    IP_in完成IP包接收預處理，用于提取地址映射信息，以便主動學習和及時更新。我的程序不會主動學習不是發給自己IP地址的MAC地址信息，因為ARP表在51中的容量有限，只有頻繁用到的地址對才應該存放在里面，否則一旦出現“顛簸”，ARP表就失效了。
    有的ARP實現方案采用數據驅動方式，參數可配置，使用統一的程序，通過加載不同的配置數據，執行不同的操作。這樣做使程序版本統一，不同的應用只要加載不同的配置數據即可，不用更換程序，有利于后期維護。但是考慮到51資源緊張和安全性，我的方案只能顯示ARP表不允許修改其內容，用戶可發揮想象力在此處增加新功能。另外，ARP程序應該記住上一次發過的請求，以避免重發，但同樣考慮到資源緊張，也免了。其實無所謂，重發就重發了。表滿處理采用有損性能的加速算法，快速有效。另外，本程序不能直接用于嵌入式網關產品。
    uCOS51操作系統本身提供了良好的內存管理功能，我利用它設置了大中小三種緩沖區存放不同類型的數據包。內存使用前申請，使用后釋放，有效利用了資源。
    系統特點是：1.搶占式優先級；2.消息驅動；3.串行服務器模式。
    系統優點是：1.等待時不耗費CPU資源；2.有超時保護，不會死鎖；3.思路清晰易懂。
    系統基于中斷驅動，使用Int0做網卡中斷輸入口。ISR寄存器只用到4位：OVW 收溢出錯/TXE 發被中斷錯/PTX  發送成功/PRX 接收成功。TCP/IP協議棧做成任務，脫離內核。整體框架如圖5、6、7所示。主程序框架見偽代碼清單(RxSem和TxSem初始化為0)
    
            ----------
            |網卡中斷|
            ----------
                |
                V
            ----------  |>
            |發信號量|  |  收完/收溢出錯
            |SemPost |---->-------------- RxSemPost
            ----------  |>
                |       |  發完/發被中斷錯
                ---------->-------------- TxSemPost
          圖5 網卡中斷處理程序
          
          
                進入
                 |   ------
                 V   |    |                          發
             ----------   |                       低優先級
     ------> |  等待  |<---   
     |       |TxQPend |<---------------------         -----
     |       ----------                     |          | |
     |           | TxQFIFO非空              |          | |
     |           V                          |   ---<---| |---<---
     |       ----------                     |   數據源 | |  各任務發送來的數據 
     |       | 發送包 |                     |          | |
     |       ----------                     |         -----
     |           |                          |        TxQFIFO
     |           V                          |
     |   ---------------------              |
     |   |    釋放內存       |              |
     |   |(包已存入網卡RAM里)|              |
     |   ---------------------              |
     |           |    -----                 |
     |           V    |   |                 |
     |       -----------  |                 |
     |       |  等待   |<--                 | (等效發送包被拋棄)
     |       |TxSemPend|<-----------        |
     |       -----------           |        |
     |           | 發完/超時       |        |
     |           V                 |        |
     | Y  ----------------    -----------   |
     -<---| 發送成功嗎？ |    |重發第n次|   |
          |(無錯且不超時)|    |   n<N   |   |
          ----------------    -----------   |
                 | N              /^\       |
                 V         N       |        |
           ------------------>------        |
           |已發了N次嗎？|---------->--------
           ---------------       Y
              
              圖6 發送流程圖
              
              
                                    進入
                                     |   -----
                                     V   |   |                       收
                                -----------  |                    高優先級
             ------------------>|   等待  |<--
             |        --------->|RxSemPend|<---------------
             |        |         -----------       /|\    /|\
             |        |              | 收到包 或   |      |
             |        |              V 收錯 或     |      |
             |        |              | 超時        |      |
             |        |         -----------        |  ----------
             |        |         |存并清ISR|        |  |復位網卡|
        -----------   |         -----------        |  ----------
        |RxSemPost|   |              |             |   /^\  /^\
        -----------   |              V             |    |    |
             |        |      --------------------  |    |    |
             |        |      |超時且無新包且無錯| Y|    |    |
             |        |      |    (防死鎖)      |->-    |    |
             |        |      --------------------       |    |
            /|\       |(不執行       | N                |    |
             |        |RxSemPost)    V                  |    |
             |        |         ------------  Y         |    |
             |        |         | 收溢出錯 |--->---------    |
             |        |         | ISR之OVW |                 |
             | Y      | N       ------------                 |
        ------------------           | N                     |
        |網卡中還有包嗎？|           V                       |
        |  CURR!=BNRY+1  | ------------------------  Y       |
        ------------------ |讀出包頭，查有無邏輯錯|--->-------
               |           ------------------------
              /|\                    | N
               |                     V
               |           ------------------------
           ----------      |按包長度申請合適的大中|
           |釋放內存|      |小號內存，并存入整個包|
           ----------      |，再調整BNRY          |
             /^\ /^\       ------------------------
              |   |                  |
              |   |                  V
              |   |   N  ----------------------------
              |   ---<---|是否是發給自己IP地址的包？|
              |          ----------------------------
              |                      | Y
              |                      V