前言

閱讀本文需要對(duì)level-ip的整體架構(gòu)有所了解，如果讀者尚未接觸過(guò)level-ip，請(qǐng)先閱讀下面文章:

分享一款Linux平臺(tái)下的tcp協(xié)議棧！超級(jí)透徹!

level-ip之虛擬網(wǎng)卡接口封裝

level-ip之以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口封裝

請(qǐng)根據(jù)上述文章中的指引獲取leve-ip的全部源碼，并且嘗試在任意Linux發(fā)行版本上編譯運(yùn)行。

知識(shí)回顧

在前面的文章中，我們已經(jīng)介紹了以太網(wǎng)卡的封裝接口，其中主要是以下幾個(gè)接口:

• netdev_init():初始化網(wǎng)卡的ip地址、mac地址和mtu的值
• netdev_receive():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)
• netdev_transmit():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)

這幾個(gè)接口是我們封裝ARP數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)，最好還是先搞明白原理。

ARP協(xié)議的由來(lái)

在上面，我們介紹netdev_receive()函數(shù)的時(shí)候，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了以太網(wǎng)幀類型主要分兩大類型，一種是IP數(shù)據(jù)幀，另一種是ARP數(shù)據(jù)幀。也就是說(shuō)ARP數(shù)據(jù)幀與IP數(shù)據(jù)幀同屬于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀。如下圖:

IP數(shù)據(jù)幀我們知道，是用來(lái)傳輸用戶數(shù)據(jù)的。哪ARP數(shù)據(jù)幀有什么用呢?

其實(shí)，ARP協(xié)議是用來(lái)將目標(biāo)主機(jī)的IP地址轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)(MAC)地址的。因?yàn)楫?dāng)我們的應(yīng)用程序要向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送信息時(shí)，它只知道目標(biāo)主機(jī)的IP地址，而IP地址是無(wú)法直接用于物理鏈路上傳輸數(shù)據(jù)的，所以需要ARP數(shù)據(jù)幀來(lái)把IP地址轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的MAC地址。

我們可以主動(dòng)發(fā)起ARP查詢幀，在本地建立起IP地址和MAC地址的映射關(guān)系，也必須要及時(shí)回復(fù)別人的ARP查詢幀！

ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)

ARP數(shù)據(jù)幀位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的上一層，我們先來(lái)了解一下它的報(bào)文結(jié)構(gòu)，如下圖:

我們來(lái)詳解學(xué)習(xí)一下，里面每個(gè)字段所代表的具體含義；

• 硬件協(xié)議：發(fā)送方想要知道的硬件接口類型，對(duì)于以太網(wǎng)接口來(lái)說(shuō)，該值為1

• 協(xié)議類型：映射的協(xié)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(zhǎng)度：對(duì)于MAC地址來(lái)說(shuō)，該值為6

• 協(xié)議地址長(zhǎng)度：對(duì)于IP地址來(lái)說(shuō)，該值為4

• OP：表示ARP數(shù)據(jù)包的具體類型，1為ARP請(qǐng)求，2為ARP應(yīng)答

剩余四個(gè)字段的具體含義非常簡(jiǎn)單易懂，就不羅列出來(lái)講解了。

了解ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)之后，下一步，自然就是用c語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體來(lái)構(gòu)造這個(gè)ARP報(bào)文組織，level-ip的ARP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)體保存在include\ethernet.h文件中，如下圖:

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量，與我們剛才介紹的ARP報(bào)文的每個(gè)字段是一一對(duì)應(yīng)的，這里不再重復(fù)解析。

ARP請(qǐng)求發(fā)送接口

ARP數(shù)據(jù)幀的發(fā)送接口為arp_request()函數(shù)。該函數(shù)保存在src/arp.c文件中。當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送IP數(shù)據(jù)幀時(shí)，如果在ARP緩存表中找不到該IP所對(duì)應(yīng)的MAC地址時(shí)，就會(huì)通過(guò)廣播的形式，來(lái)進(jìn)行ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

如下圖:

• 第8行，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)sk_buff來(lái)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

• 第12行，選擇使用哪個(gè)網(wǎng)卡來(lái)繼續(xù)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送

• 第13行，在sk_buff中，向前移動(dòng)arp_ipv4結(jié)構(gòu)體大小的位置，把得到的指針賦值給payload指針

• 第14行，用網(wǎng)卡(netdev)中記錄的源主機(jī)mac地址，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機(jī)mac地址(smac)

• 第15行，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的源主機(jī)ip地址(sip)

• 第16行，用廣播地址(broadcast_hw)，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機(jī)mac地址(dmac)

• 第17行，填充arp-ipv4結(jié)構(gòu)體中的目的主機(jī)ip地址(dip)

• 第18行，在sk_buff中，向前移動(dòng)arp_hdr結(jié)構(gòu)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(bào)文的硬件協(xié)議、協(xié)議類型、報(bào)文類型等等，htons()函數(shù)為進(jìn)行數(shù)據(jù)的大小端切換。到這里ARP報(bào)文就初始化好了

• 第31行，調(diào)用netdev_transmit()函數(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

ARP數(shù)據(jù)讀取接口

ARP數(shù)據(jù)接收接口為arp_rcv()函數(shù)。該函數(shù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀讀取接口netdev_receive()函數(shù)中調(diào)用。我們來(lái)了解一下這個(gè)函數(shù)，如下圖:

• 第8行,從讀取到的數(shù)據(jù)中獲取arp數(shù)據(jù)幀

• 第10~12行，獲取arp數(shù)據(jù)幀中的硬件類型、協(xié)議類型、報(bào)文類型

• 第25~28行，獲取源主機(jī)和目的主機(jī)的ip地址

• 第30行，繼續(xù)arp緩存表數(shù)據(jù)的更新

• 第32行，判斷該arp數(shù)據(jù)幀，是不是發(fā)送給本機(jī)的

• 第37行，如果arp數(shù)據(jù)幀中的IP地址還沒有緩存在本機(jī)的ARP緩存表中的話，那么把這個(gè)IP地址插入到ARP緩存表中保存

• 第42行，判斷ARP數(shù)據(jù)幀的報(bào)文類型

• 第43、44行，如果報(bào)文類型為ARP請(qǐng)求幀，那么調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送

ARP應(yīng)答幀發(fā)送接口

在上面我們介紹ARP數(shù)據(jù)讀取接口時(shí)，當(dāng)我們?nèi)绻邮盏搅薃RP請(qǐng)求幀，那么我們要調(diào)用arp_reply()函數(shù)進(jìn)行ARP應(yīng)答幀的發(fā)送,我們來(lái)學(xué)習(xí)一下這個(gè)函數(shù)。

如下圖:

• 第6行，獲取arp報(bào)文的數(shù)據(jù)

• 第8行，使用skb_reserve()函數(shù)來(lái)調(diào)整sk_buff中數(shù)據(jù)指針的位置，表示以太網(wǎng)首部和ARP報(bào)文的數(shù)據(jù)都還沒有填充

• 第9行，使用skb_push()函數(shù)，參數(shù)為ARP_HDR_LEN + ARP_DATA_LEN，表示填充了ARP報(bào)文

• 第11~28行，將該ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的源主機(jī)信息和目的主機(jī)信息交換位置，并把操作字段op置為2

• 第30行，選擇發(fā)送網(wǎng)卡

• 第32行，調(diào)用netdev_transmit()函數(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送

總結(jié)

通過(guò)我們這邊文章，我們已經(jīng)明白了ARP協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)、ARP數(shù)據(jù)包的發(fā)送、ARP數(shù)據(jù)包的接收處理等等。知道了ARP協(xié)議在TCP協(xié)議棧中的重要地位。不過(guò)文中對(duì)ARP緩存表沒有做深入介紹，這是因?yàn)樵撝R(shí)點(diǎn)比較基礎(chǔ)，主要是對(duì)鏈表的插入、刪除等操作。