<b>第四章</b><b> ARP</b><b>：位址解析協定</b><b></b>
雖然資料鍊路層的第一道關卡是MAC位址，但基于TCP/IP的網絡主要使用IP位址來辨別主機而不使用MAC位址。比如要連接配接到别人的電腦或拷貝共享檔案，一般會說：“告訴我你電腦的IP”，而不是“告訴我你電腦的MAC”。從以太網幀結構知道，不知道對方網卡的MAC位址是無法正常通訊的，那主機是怎樣從IP位址上自動擷取到MAC位址呢？這就是這章要講的“位址解析協定”，以下簡稱其英文縮寫“ARP”。
<b>4</b><b>．</b><b>1 ARP</b><b>工作原理</b><b></b>
從對方的IP位址擷取MAC位址最簡單的方法是靜态映射，即手工建立IP位址和MAC位址的映射表。這種方法必須預先知道每個IP對應的網卡的MAC位址，并寫到程式裡，發送資料時先搜尋這張表，找到IP位址對應的MAC位址。靜态映射表内容如下：
IP位址
MAC位址
192.168.1.15
00-0B-6A-8E-3F-C2
192.168.6.82
00-1C-35-27-59-A8
靜态映射表有一定的局限性，如：一台電腦換過網卡後，查找得出的MAC位址就不正确，會導緻通訊不上；當對方電腦的IP位址改變後，雖然MAC位址沒有變，但映射關系變了，靜态映射表也必須手工改變。這樣，維護一張靜态映射表就很費勁。
為了避免手工維護映射表，設計人員使用ARP協定來實作位址的映射，由主機自己智能地維護一張動态映射表。具體是怎樣實作地呢？通過圖4－1可以形象的說明。假如MCU主機需要與IP為192.168.1.15的主機建立連接配接，但不知道其MAC位址，于是先在整個網絡廣播，查詢内“192.168.1.15“對應的MAC位址，由于是廣播（目的MAC位址是FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一網絡上的所有主機都收到了這個請求。但隻有電腦A應答，因為它的IP就是192.168.1.15。MCU收到電腦A的應答後，将IP和MAC位址存放在動态映射表中，下次連接配接的時候就能直接查找動态表。
當然，動态映射表中，IP和MAC的映射關系并不是一成不變的，ARP還啟動一個定時器，當映射關系存在一定的時間（如1分鐘）後，會被清除掉，下次發送資料時還是需要通過ARP請求擷取它們的對應關系。這個過程稱為ARP表老化。
圖4－1 ARP 工作原理
<b>4</b><b>．</b><b>2 ARP</b><b>分組結構</b><b></b>
圖4－2 ARP 分組的封裝
ARP分組的具體結構如圖4－3。
0 8 16 24 31
硬體類型
協定類型
硬體長度
協定長度
操作
發送方MAC位址（6位元組中的0－3位元組）
發送方MAC位址（4－5位元組）
發送方IP位址（0-1位元組）
發送方IP位址（2－3位元組）
接收方MAC位址（0－1位元組）
接收方MAC位址（2－5位元組）
接收方IP位址（0－3位元組）
圖4－3 ARP 分組的格式
硬體類型：16位，定義運作ARP的實體網絡。對以太網來說固定為0001H。還有0002H為實驗以太網，0003H為業餘無線電，0004H為令牌網等等。
協定類型：16位，定義發送方提供的高層協定類型。對IPV4來說，固定為0800H。
硬體長度：8位，定義實體位址（MAC位址）的長度，以位元組為機關，對以太網來說，固定為06H。
協定長度：8位，定義邏輯位址（IP位址）的長度，以位元組為機關，對應以太網的IPV4，長度固定為04H。
操作：16位，定義ARP分組是請求還是應答。請求則為01H，應答為02H。
發送方/接收方MAC位址：48位（針對以太網）。
發送方/接收方IP位址：32位（針對以太網）。
了解ARP的分組的格式後，就可以将圖4－1 中ARP的工作原理用具體資料來表示，如圖4－4。
圖4－4 ARP 分組的圖例
<b>4</b><b>．</b><b>2 ARP</b><b>的實作</b><b></b>
uIP協定棧實作ARP的檔案是Uip_arp.c，包含uip_arp_init（），uip_arp_timer（），uip_arp_update（），uip_arp_arpin（），uip_arp_out（）5個函數。
<b>4.2.1 A</b><b>RP</b><b>初始化</b><b></b>
根據ARP分組的格式，uip頭部結構定義如下，為了便于管理，它包含了以太網幀的頭部uip_eth_hdr。
struct arp_hdr
{
struct uip_eth_hdr ethhdr; /*以太網首部，14位元組*/
u16_t hwtype; /*硬體類型，0x0001*/
u16_t protocol; /*協定類型，0x0800*/
u8_t hwlen; /*硬體長度，0x06*/
u8_t protolen; /*協定長度，0x04*/
u16_t opcode; /*操作碼,ARP請求：0x1；ARP應答：0x2*/
struct uip_eth_addr shwaddr; /*發送方MAC位址*/
u16_t sipaddr[2]; /*發送方IP位址*/
struct uip_eth_addr dhwaddr; /*接收方MAC位址*/
u16_t dipaddr[2]; /*接收方IP位址*/
};
前面說過，ARP協定的目的就是主機自動維護一張動态映射表，uIP對動态映射表的結構定義如下：
struct arp_entry
u16_t ipaddr[2]; /*IP位址*/
struct uip_eth_addr ethaddr; /*MAC位址*/
u8_t time; /*IP-MAC映射生成時間*/
表 4－2 uip的ARP動态映射表
映射生成時間
13
可以看到，它比靜态映射表多了一項time，主要用來老化ARP表，存放的是一個時間計數arptime，這個計數預設是每10秒加1，寫映射關系的時候取目前的arptime值存入time項。ARP動态映射表定義成一個全局變量arp_table ，在單片機的網路設計中，定義如下：static struct arp_entry xdata arp_table[UIP_ARPTAB_SIZE]，其最多儲存的映射關系是UIP_ARPTAB_SIZE個，預設值是8，可修改。
ARP的初始化函數uip_arp_init（）就是将動态映射表arp_table裡的IP位址項全部清零。使用的語句是：memset(arp_table[i].ipaddr, 0, 4);
<b>4.2.2 A</b><b>RP</b><b>分組的處理</b><b></b>
當收到的以太網幀的類型是0x0806時，調用void uip_arp_arpin(void)函數對收到的ARP分組進行處理。其實作流程圖見圖4－5。其中的更新動态映射表的功能由函數uip_arp_update（）完成，流程圖見4－6。
圖4－5 ARP分組的處理流程圖
圖4－5 ARP更新動态映射表流程圖
<b>4.2.2 A</b><b>RP</b><b>動态映射表的老化</b>
函數void uip_arp_timer(void)執行動态映射表的老化功能，這個函數每10秒被調用一次，進入該函數時，時間計數arptime加1，同時與動态映射表裡的time項比較，當發現arptime - tabptr->time >= 120時，将該項的IP清零。也就是說，動态映射表裡的映射關系在連續20分鐘内沒有重新整理的話将失效。
<b>4.2.2 A</b><b>RP</b><b>請求的自動發送</b>
前面的介紹可以知道，本機IP層的發送函數隻知道對方IP位址，而不知道對方的MAC位址，按分層的概念，它填充完IP頭部的資訊後就交給以太網幀處理。以太網幀的頭部需要填充目的MAC位址，源MAC位址，類型。其中源MAC位址是本機MAC，類型是IP 0x0800，均已知。目的MAC呢？首先要查動态映射表，找到接收方IP對應的MAC位址填充。若此時動态映射表中沒有映射關系，就必須按ARP請求的格式構造一個ARP請求分組發送給本地網路上的所有網絡裝置，擷取到IP對應的MAC位址後才能正常發送。這些功能由void uip_arp_out(void)函數完成。
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