基于DWC_ether_qos的以太网驱动开发-LWIP的ARP模块介绍
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一．前言tcp/ip通讯第一步需要先调通arp，否则tcp/ip包都不知道mac地址要发给谁。这一篇来基于lwip的arp实现进行相关的分析。
二．arp协议回顾arp协议可以参考rfc826
帧格式如下:
硬件类型~目的端协议地址部分才是arp协议部分，其他的为mac帧头尾。
总共42字节，注意要+18字节的填充
这样包括后面4字节的crc，才满足42+18+4=64字节的最小帧长要求。
区域目的mac地址da源mac地址sa类型长度type/len硬件类型hardware type协议类型protocol type
大小字节 6 6 2 2 2
值 请求时一般用ffffffffffff广播,响应时用请求中解析出的对端的地址。 本机mac地址 0x0806 ethernet为0x0001 ip为0x0800
区域 硬件地址长度hardware addr len 协议地址长度prot addr len 操作码opcode 发送端硬件地址prot addr len 发送端协议地址sender protocol address
大小字节 1 1 2 6 4
值 6 4 请求为1响应为2 发送端mac地址 发送端ip地址
区域 目的端硬件地址target hardware address 目的端协议地址target protocol address 填充 crc
大小字节 6 4 18 4
值 目的端mac地址 目的端ip地址
以太网帧是通过mac地址来定位发送者和接收者的，但是tcp/ip协议则是通过ip地址来定位的。协议层的地址和mac帧的地址需要一个映射表，这样底层才知道对应的协议地址需要绑定哪个mac地址，最终链路层看的是mac地址。
其实arp协议不仅仅是用于ip和mac地址的解析，实际它是通用的，可以用于不同地址空间的地址解析，地址的大小也可不同。
使用wireshark可以帮助解析
arp协议的工作过程简单描述就是，
发送端开始知道ip但是不知道对应的mac地址，所以先发广播包问，问该ip的mac地址是多少，同时附带了字节ip和mac地址，
接收端接收到这个广播包就可以从中解析发送端的ip和mac地址，添加到自己的arp表格中。如果某个主机发现询问的是自己的mac地址(ip匹配)，则会响应自己的ip和mac地址。
发送端接收到响应之后，就知道ip地址和mac地址的对应关系，存到arp表中，就可以发ip包了。
三. lwip的arp处理arp需要使能宏lwip_arp
arp的处理依赖于定时器，定时器前面有分析。
定时器回调函数是etharp_tmr
周期为1s
#define arp_tmr_interval 1000
相关代码位于
etharp.c/h
arp表数据结构表大小arp_table_size可配置，默认是10，可配置可存的arp条目数。
struct etharp_entry {
#if arp_queueing
/** pointer to queue of pending outgoing packets on this arp entry. */
struct etharp_q_entry *q;
#else /* arp_queueing */
/** pointer to a single pending outgoing packet on this arp entry. */
struct pbuf *q;
#endif /* arp_queueing */
ip4_addr_t ipaddr;
struct netif *netif;
struct eth_addr ethaddr;
u16_t ctime;
u8_t state;
};
static struct etharp_entry arp_table[arp_table_size];
其中使能arp_queueing则表示如果当前还不知道ip对应的mac地址，可以先暂时挂起待发送的包，按照队列挂起，如果未配置则只能挂起一个待发送的包。
ctime维护一个软定时器，arp定时器回调时增加1，增加到一定值释放表项。
在有arp包ip包更新表项时清零。
ipaddr ethaddr对应ip和mac地址
state维护一个状态机
netif对应的接口
释放表项****etharp_free_entry设置表项状态为empty即可，注意如果有挂起的包也需要释放。
查找表项etharp_find_entry查找已有的表项，或者没有则找一个空闲的位置存新的信息。
如果找不到空闲位置则释放最早的挂起的表项腾出位置。
更新表项etharp_update_arp_entry调用etharp_update_arp_entry查找表项，
如果有表项有挂起数据包则发送该挂起的ip包ethernet_output
静态添加表项etharp_add_static_entry需要配置宏etharp_support_static_entries
调用etharp_update_arp_entry手动添加表项
静态释放表项etharp_remove_static_entry需要配置宏etharp_support_static_entries
调用etharp_find_entry查找表项再释放
清除所有表项etharp_cleanup_netif遍历清除etharp_free_entry
查找地址etharp_find_addr调用etharp_find_entry，根据ip地址查找mac地址
根据索引查找地址****etharp_get_entry直接根据arp表索引返回对应的表项信息
超时处理对于arp表项，需要有一个有效时间，如果长时间未有对应的arp包或者ip包则需要释放表项。
etharp_tmr
定时器前面已经介绍过，etharp_tmr会以默认1s的间隔调用。
遍历所有表项
如果某个表项超过arp_maxage(默认300s)没有更新时,就会释放。
定时器是在etharp_find_entry，etharp_query, etharp_update_arp_entry时清零的，也就是说超过300s没收收到对应的地址的ip包和arp包就认为超时需要释放。
如果表项处于etharp_state_pending状态且超过arp_maxage(默认是5)时也要释放表项。即比如一开始给某个ip发包，但是mac地址不知道，于是发了arp请求包，但是此时还没有收到响应，所以设置arp表项为etharp_state_pending状态，同时挂起待发送的包，等收到arp响应了再发这个挂起的包。挂起的超时时间就是arp_maxage，实际值要根据etharp_tmr间隔来，间隔是1s则实际是1x2x5=10s。
这里x2是因为。
如果处于etharp_state_pending状态则发送，arp请求etharp_request，直到arp_maxage超时释放表项。
如果是以下状态则间隔1s切换到下一状态
etharp_state_stable_rerequesting_1->etharp_state_stable_rerequesting_2->etharp_state_stable
数据流主动广播手动发请求etharp_gratuitous
即广播问ip地址是本机的mac地址是多少，
为什么这里问的是自己的ip不是别人的呢？因为这是自己的ip或者状态变了，实际是广播一下告诉别人。
修改ip，link up时会手动发一次请求，比如如下接口调用时
netif_do_set_ipaddr
netif_set_up
netif_set_link_up
arp包输入处理etharp_input
根据收到的arp包,不管是请求还是响应包，都可以从源ip地址和源mac地址获取信息，更新arp表。比如arp广播请求哪怕不是发给自己的也可以知道网络上有源ip地址和源mac的设备，可以更新arp表，下次如果要给这个ip发包就可以直接发，注意如果源ip地址不是单播地址也不处理。如是请求自己的arp包就进行响应。
发包etharp_output->
etharp_output_to_arp_index
在ip包上添加mac地址，
相应的接口直接查看源码
etharp_query
etharp_raw
etharp_request_dst
etharp_request
acd检测冲突地址检测acd
存在多个主机使用同一ip地址的问题，在rfc5227中定义了acd的概念，其中定义了两种arp报文：arp probe和arp announcement。arp probe用于探测当前广播域是否有其他主机使用某个ip地址，arp probe报文的发送者ip地址字段是全0，这是为了避免arp污染（因为arp请求报文会在广播域内广播到每个主机上，所以主机收到带发送者ip地址的arp报文后都会创建缓存表项，太多arp报文会造成域内主机上的缓存浪费）。而前面代码中可以看出对于发送端即源ip地址为0的并不会更新到缓存。
即etharp_update_arp_entry的
如下处理ip4_addr_isany(ipaddr)
/* non-unicast address? */if (ip4_addr_isany(ipaddr) || ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) || ip4_addr_ismulticast(ipaddr)) { lwip_debugf(etharp_debug | lwip_dbg_trace, (etharp_update_arp_entry: will not add non-unicast ip address to arp cachen)); return err_arg;}arp announcement报文用于通告域内主机自己的ip地址和mac地址，特征是其目标硬件地址字段全0，该报文不希望某个特定的主机回应，只需要域内主机创建起arp表项即可。
也是对应上述代码的处理。
需要使能宏lwip_acd
对应两个接口
etharp_acd_probe
etharp_acd_announce
其他代码位于acd.c中
四.调试#define etharp_debug lwip_dbg_on 使能调试打印
ping一下设备可以看到打印如下(这里的printf不支持某些格式所以一些打印不正常)
可以借助wireshark抓包分析。
ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_find_entry: found empty entry 0etharp_find_entry: selecting empty entry 0etharp_request: sending arp request.etharp_raw: sending raw arp packet.ethernet_output: sending packet 0x28214a18etharp_query: queued packet 0x28214ae8 on arp entry %huethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hxetharp_find_entry: found matching entry 0etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hdethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_input: incoming arp replyetharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timeretharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timerct: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hxetharp_find_entry: found matching entry 0etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hdetharp_input: incoming arp requestetharp_raw: sending raw arp packet.ethernet_output: sending packet 0x28214a18etharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timer五.总结主要了解arp表项的更新，以及超时处理。
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帧格式如下:
硬件类型~目的端协议地址部分才是arp协议部分，其他的为mac帧头尾。
总共42字节，注意要+18字节的填充
这样包括后面4字节的crc，才满足42+18+4=64字节的最小帧长要求。
区域目的mac地址da源mac地址sa类型长度type/len硬件类型hardware type协议类型protocol type
大小字节 6 6 2 2 2
值 请求时一般用ffffffffffff广播,响应时用请求中解析出的对端的地址。 本机mac地址 0x0806 ethernet为0x0001 ip为0x0800
区域 硬件地址长度hardware addr len 协议地址长度prot addr len 操作码opcode 发送端硬件地址prot addr len 发送端协议地址sender protocol address
大小字节 1 1 2 6 4
值 6 4 请求为1响应为2 发送端mac地址 发送端ip地址
区域 目的端硬件地址target hardware address 目的端协议地址target protocol address 填充 crc
大小字节 6 4 18 4
值 目的端mac地址 目的端ip地址
以太网帧是通过mac地址来定位发送者和接收者的，但是tcp/ip协议则是通过ip地址来定位的。协议层的地址和mac帧的地址需要一个映射表，这样底层才知道对应的协议地址需要绑定哪个mac地址，最终链路层看的是mac地址。
其实arp协议不仅仅是用于ip和mac地址的解析，实际它是通用的，可以用于不同地址空间的地址解析，地址的大小也可不同。
使用wireshark可以帮助解析
arp协议的工作过程简单描述就是，
发送端开始知道ip但是不知道对应的mac地址，所以先发广播包问，问该ip的mac地址是多少，同时附带了字节ip和mac地址，
接收端接收到这个广播包就可以从中解析发送端的ip和mac地址，添加到自己的arp表格中。如果某个主机发现询问的是自己的mac地址(ip匹配)，则会响应自己的ip和mac地址。
发送端接收到响应之后，就知道ip地址和mac地址的对应关系，存到arp表中，就可以发ip包了。
三. lwip的arp处理arp需要使能宏lwip_arp
arp的处理依赖于定时器，定时器前面有分析。
定时器回调函数是etharp_tmr
周期为1s
#define arp_tmr_interval 1000
相关代码位于
etharp.c/h
arp表数据结构表大小arp_table_size可配置，默认是10，可配置可存的arp条目数。
struct etharp_entry {
#if arp_queueing
/** pointer to queue of pending outgoing packets on this arp entry. */
struct etharp_q_entry *q;
#else /* arp_queueing */
/** pointer to a single pending outgoing packet on this arp entry. */
struct pbuf *q;
#endif /* arp_queueing */
ip4_addr_t ipaddr;
struct netif *netif;
struct eth_addr ethaddr;
u16_t ctime;
u8_t state;
};
static struct etharp_entry arp_table[arp_table_size];
其中使能arp_queueing则表示如果当前还不知道ip对应的mac地址，可以先暂时挂起待发送的包，按照队列挂起，如果未配置则只能挂起一个待发送的包。
ctime维护一个软定时器，arp定时器回调时增加1，增加到一定值释放表项。
在有arp包ip包更新表项时清零。
ipaddr ethaddr对应ip和mac地址
state维护一个状态机
netif对应的接口
释放表项****etharp_free_entry设置表项状态为empty即可，注意如果有挂起的包也需要释放。
查找表项etharp_find_entry查找已有的表项，或者没有则找一个空闲的位置存新的信息。
如果找不到空闲位置则释放最早的挂起的表项腾出位置。
更新表项etharp_update_arp_entry调用etharp_update_arp_entry查找表项，
如果有表项有挂起数据包则发送该挂起的ip包ethernet_output
静态添加表项etharp_add_static_entry需要配置宏etharp_support_static_entries
调用etharp_update_arp_entry手动添加表项
静态释放表项etharp_remove_static_entry需要配置宏etharp_support_static_entries
调用etharp_find_entry查找表项再释放
清除所有表项etharp_cleanup_netif遍历清除etharp_free_entry
查找地址etharp_find_addr调用etharp_find_entry，根据ip地址查找mac地址
根据索引查找地址****etharp_get_entry直接根据arp表索引返回对应的表项信息
超时处理对于arp表项，需要有一个有效时间，如果长时间未有对应的arp包或者ip包则需要释放表项。
etharp_tmr
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如果表项处于etharp_state_pending状态且超过arp_maxage(默认是5)时也要释放表项。即比如一开始给某个ip发包，但是mac地址不知道，于是发了arp请求包，但是此时还没有收到响应，所以设置arp表项为etharp_state_pending状态，同时挂起待发送的包，等收到arp响应了再发这个挂起的包。挂起的超时时间就是arp_maxage，实际值要根据etharp_tmr间隔来，间隔是1s则实际是1x2x5=10s。
这里x2是因为。
如果处于etharp_state_pending状态则发送，arp请求etharp_request，直到arp_maxage超时释放表项。
如果是以下状态则间隔1s切换到下一状态
etharp_state_stable_rerequesting_1->etharp_state_stable_rerequesting_2->etharp_state_stable
数据流主动广播手动发请求etharp_gratuitous
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修改ip，link up时会手动发一次请求，比如如下接口调用时
netif_do_set_ipaddr
netif_set_up
netif_set_link_up
arp包输入处理etharp_input
根据收到的arp包,不管是请求还是响应包，都可以从源ip地址和源mac地址获取信息，更新arp表。比如arp广播请求哪怕不是发给自己的也可以知道网络上有源ip地址和源mac的设备，可以更新arp表，下次如果要给这个ip发包就可以直接发，注意如果源ip地址不是单播地址也不处理。如是请求自己的arp包就进行响应。
发包etharp_output->
etharp_output_to_arp_index
在ip包上添加mac地址，
相应的接口直接查看源码
etharp_query
etharp_raw
etharp_request_dst
etharp_request
acd检测冲突地址检测acd
存在多个主机使用同一ip地址的问题，在rfc5227中定义了acd的概念，其中定义了两种arp报文：arp probe和arp announcement。arp probe用于探测当前广播域是否有其他主机使用某个ip地址，arp probe报文的发送者ip地址字段是全0，这是为了避免arp污染（因为arp请求报文会在广播域内广播到每个主机上，所以主机收到带发送者ip地址的arp报文后都会创建缓存表项，太多arp报文会造成域内主机上的缓存浪费）。而前面代码中可以看出对于发送端即源ip地址为0的并不会更新到缓存。
即etharp_update_arp_entry的
如下处理ip4_addr_isany(ipaddr)
/* non-unicast address? */if (ip4_addr_isany(ipaddr) || ip4_addr_isbroadcast(ipaddr, netif) || ip4_addr_ismulticast(ipaddr)) { lwip_debugf(etharp_debug | lwip_dbg_trace, (etharp_update_arp_entry: will not add non-unicast ip address to arp cachen)); return err_arg;}arp announcement报文用于通告域内主机自己的ip地址和mac地址，特征是其目标硬件地址字段全0，该报文不希望某个特定的主机回应，只需要域内主机创建起arp表项即可。
也是对应上述代码的处理。
需要使能宏lwip_acd
对应两个接口
etharp_acd_probe
etharp_acd_announce
其他代码位于acd.c中
四.调试#define etharp_debug lwip_dbg_on 使能调试打印
ping一下设备可以看到打印如下(这里的printf不支持某些格式所以一些打印不正常)
可以借助wireshark抓包分析。
ethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_find_entry: found empty entry 0etharp_find_entry: selecting empty entry 0etharp_request: sending arp request.etharp_raw: sending raw arp packet.ethernet_output: sending packet 0x28214a18etharp_query: queued packet 0x28214ae8 on arp entry %huethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hxetharp_find_entry: found matching entry 0etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hdethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_input: incoming arp replyetharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timeretharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timerct: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxethernet_output: sending packet 0x28214ae8etharp_timerethernet_input: dest:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, src:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx:%02hhx, type:%hxetharp_update_arp_entry: %hu.%hu.%hu.%hu - %02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hx:%02hxetharp_find_entry: found matching entry 0etharp_update_arp_entry: updating stable entry %hdetharp_input: incoming arp requestetharp_raw: sending raw arp packet.ethernet_output: sending packet 0x28214a18etharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timeretharp_timer五.总结主要了解arp表项的更新，以及超时处理。
小米移动电源3 45W/20000mAh高配版拆解：做工用料上佳
红外热成像测温系统可以从哪方面评估电梯安全？它具有哪些优势？
type-c接口的重要性
Razer推出生产力系列三款新产品 空客与 Eramet 签署协议
触发器输出波形又是如何的呢？
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2.5G芯片需求骤跌 台IC设计第1季暗淡
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CCFL另外一种驱动电路,CCFL DRIVER
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