嵌入式开发-ARP地址解析协议.doc

第四章ARP：地址解析协议虽然数据链路层的第一道关卡是MAC地址，但基于TCP/IP的网络主要使用IP地址来标识主机而不使用MAC地址。比如要连接到别人的电脑或拷贝共享文件，一般会说：“告诉我你电脑的IP”，而不是“告诉我你电脑的MAC”。从以太网帧结构知道，不知道对方网卡的MAC地址是无法正常通讯的，那主机是怎样从IP地址上自动获取到MAC地址呢？这就是这章要讲的“地址解析协议”，以下简称其英文缩写“ARP”。4．1ARP工作原理从对方的IP地址获取MAC地址最简单的方法是静态映射，即手工建立IP地址和MAC地址的映射表。这种方法必须预先知道每个IP对应的网卡的MAC地址，并写到程序里，发送数据时先搜索这张表，找到IP地址对应的MAC地址。静态映射表内容如下：表4－1静态映射表IP地址MAC地址192.168.1.1500-0B-6A-8E-3F-C2192.168.6.8200-1C-35-27-59-A8静态映射表有一定的局限性，如：一台电脑换过网卡后，查找得出的MAC地址就不正确，会导致通讯不上；当对方电脑的IP地址改变后，虽然MAC地址没有变，但映射关系变了，静态映射表也必须手工改变。这样，维护一张静态映射表就很费劲。为了避免手工维护映射表，设计人员使用ARP协议来实现地址的映射，由主机自己智能地维护一张动态映射表。具体是怎样实现地呢？通过图4－1可以形象的说明。假如MCU主机需要与IP为192.168.1.15的主机建立连接，但不知道其MAC地址，于是先在整个网络广播，查询内“192.168.1.15“对应的MAC地址，由于是广播（目的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一网络上的所有主机都收到了这个请求。但只有电脑A应答，因为它的IP就是192.168.1.15。MCU收到电脑A的应答后，将IP和MAC地址存放在动态映射表中，下次连接的时候就能直接查找动态表。当然，动态映射表中，IP和MAC的映射关系并不是一成不变的，ARP还启动一个定时器，当映射关系存在一定的时间（如1分钟）后，会被清除掉，下次发送数据时还是需要通过ARP请求获取它们的对应关系。这个过程称为ARP表老化。图4－1ARP工作原理4．2ARP分组结构ARP分组是封装在以太网帧中的数据段中，当以太网帧首部的TYPE段为0806H时，表示后边的数据是ARP分组。如图4－2。图4－2ARP分组的封装ARP分组的具体结构如图4－3。08162431硬件类型协议类型硬件长度协议长度操作发送方MAC地址（6字节中的0－3字节）发送方MAC地址（4－5字节）发送方IP地址（0-1字节）发送方IP地址（2－3字节）接收方MAC地址（0－1字节）接收方MAC地址（2－5字节）接收方IP地址（0－3字节）图4－3ARP分组的格式硬件类型：16位，定义运行ARP的物理网络。对以太网来说固定为0001H。还有0002H为实验以太网，0003H为业余无线电，0004H为令牌网等等。协议类型：16位，定义发送方提供的高层协议类型。对IPV4来说，固定为0800H。硬件长度：8位，定义物理地址（MAC地址）的长度，以字节为单位，对以太网来说，固定为06H。协议长度：8位，定义逻辑地址（IP地址）的长度，以字节为单位，对应以太网的IPV4，长度固定为04H。操作：16位，定义ARP分组是请求还是应答。请求则为01H，应答为02H。发送方/接收方MAC地址：48位（针对以太网）。发送方/接收方IP地址：32位（针对以太网）。了解ARP的分组的格式后，就可以将图4－1中ARP的工作原理用具体数据来表示，如图4－4。图4－4ARP分组的图例4．2ARP的实现uIP协议栈实现ARP的文件是Uip_arp.c，包含uip_arp_init（），uip_arp_timer（），uip_arp_update（），uip_arp_arpin（），uip_arp_out（）5个函数。4.2.1ARP初始化根据ARP分组的格式，uip头部结构定义如下，为了便于管理，它包含了以太网帧的头部uip_eth_hdr。structarp_hdr{structuip_eth_hdrethhdr;/*以太网首部，14字节*/u16_thwtype;/*硬件类型，0x0001*/u16_tprotocol;/*协议类型，0x0800*/u