ARP是Address Resolution Protocol的缩写。中文译做“地址解析协议”，本质是完成网络地址到物理地址的映射。从概念上讲就是找到一个映射方法f，使得“物理地址 = f(网络地址)”。物理地址有两种基本类型：以太网类型和proNET令牌环网类型，网络地址特指IP地址，对映射方法的要求就是高效。具体到以太网，它使用的是动态绑定转换的方法。为什么不直接使用同一种地址，而要这么麻烦呢？因为TCP/IP网络就是为将不同种类计算机互联而发明的，它的体系结构是分层的，层和层之间相互独立，改变物理层的实现不会影响到网络层。

32位IP地址到以太网48位物理地址的映射，采用动态绑定转换的方法会遇到许多细节问题，例如：减少广播，ARP包丢失，物理地址变更(更换网卡)、移动(移动设备到另一子网)、消失(关机)等。一般是设置ARP高速缓存，通过学习、老化、更新、溢出算法处理ARP映射表来解决这些问题。其中，学习指ARP收到任何指向本节点IP地址的ARP/IP包，从中提取出地址对，而ARP缓存中无对应项时，由ARP接收部分添加；老化指为每项设置寿命域，以便代谢掉陈旧的地址映射项；更新指ARP提取到新的地址对时，用其更新缓存里已有的对应项；溢出算法指当缓存满时，采取何种方法替换旧有的地址对儿。

我找到了几个TCP/IP源代码，对比他们的实现，深感差别巨大，灵活多变。有的代码未实现ARP缓存，只用几个全局变量记录源目的IP地址和源目的MAC地址，每次通信前直接操作全局变量，这在使用51单片机，进行点对点通信时不失为一个有效的方案；而有的代码庞大复杂，细节处理精益求精。比如实现了ARP高速缓存、支持多址节点、支持网管查看/动态改变ARP相关参数、重发处理、支持IPv6等。我的看法是：ARP的本质是地址转换，只要抓住这个灵魂，设计的大方向就把握住了。具体实现过程各具特色，因人而异，没有统一要求，有些功能可以不实现，有些优点不能兼得，而唯一不变的只有思想。

我参考了几种已有的IP协议栈并结合51单片机的特点，实现了自己的基于uCOS51的TCP/IP协议栈方案。它只是一种具体的实现范例，不同的人有不同的设计方法。我保证自己的方案可以正常使用并具有较好的完备性。

------------------------------

|状态|寿命ttl|IP地址 |MAC地址|学习

------------------------------

|0 |FF|X:X:X:X| XXXX|<---老化

------------------------------

|0 |FF|X:X:X:X| XXXX|更新

------------------------------

图1 ARP缓存表表满处理

如图1所示，ARP缓存表由状态、寿命、IP地址、MAC地址4个字段组成。状态字段指示地址对是否有效(0-空闲 1-占用)；寿命字段用于老化操作，初始存入最大值，以后由OS时间函数调用，每秒减1，直至为0清除；IP地址和MAC地址字段保存网络地址和物理地址的映射。此处，没有设计发送数据链表首指针和重发记数字段，我把重发操作交给上层软件统一处理，这是本程序的特色。围绕ARP缓存表，完成了4种操作：学习、老化、更新、表满处理，详见伪代码清单。使用OS的Shell命令ls可以查看ARP表的内容，但不支持修改，这个功能对测试很有用。(显示内容举例如图2所示)

%ls

ARP table:

statusTTLIP addressMAC address

=================================================

0178172.18.92.860050BABD4C7E

%

图2 ARP缓存表显示内容举例

表满处理

|

vARP请求

-------------------- ---------->

||学习/更新|| <- - - - -

老化--->| ARP表 |<------------| ARP处理 |

|||| - - - - - >

-------------------- <----------

^ARP应答

|学习/更新

---------

||

| IP_in |

||

---------

图3 ARP处理过程

08162431

---------------------------------------------------------------------

|硬件类型|协议类型|

---------------------------------------------------------------------

|硬件地址长度(HLEN)|协议长度(PLEN)|操作|

---------------------------------------------------------------------

|发送方首部(八位组0-3)|

---------------------------------------------------------------------

|发送方首部(八位组4-5)|发送方IP地址(八位组0-1)|

---------------------------------------------------------------------

|发送方IP地址(八位组2-3)|目标首部(八位组0-1)|

---------------------------------------------------------------------

|目标首部(八位组2-5)|

---------------------------------------------------------------------

|目标IP地址(八位组0-3)|

---------------------------------------------------------------------

图4 ARP包结构

如图3，整个ARP处理过程，我主要用5个函数实现。ARP初始化(ARP_init)、ARP请求(ARP_request)、ARP应答(ARP_answer)、ARP回应处理(ARP_process)、IP包接收预处理(IP_in)。在实现网卡驱动程序后，所有ARP处理操作就是填写ARP包(ARP包结构见图4)，详见伪代码清单。

ARP_init完成ARP表初始化，概括说就是ARP表state字段清0。

ARP_request完成ARP请求操作。ARP协议要求程序根据子网掩码判断IP地址是否属于同一子网，如果在同一子网内，ARP请求目的MAC地址，否则请求默认网关MAC地址。

ARP_answer比较简单，只要交换ARP请求包地址内容，填写自己的MAC地址和很少的改动后发送即可。

ARP_process完成ARP回应回来的信息处理。主要进行ARP表的学习和更新。

IP_in完成IP包接收预处理，用于提取地址映射信息，以便主动学习和及时更新。我的程序不会主动学习不是发给自己IP地址的MAC地址信息，因为ARP表在51中的容量有限，只有频繁用到的地址对才应该存放在里面，否则一旦出现“颠簸”，ARP表就失效了。

有的ARP实现方案采用数据驱动方式，参数可配置，使用统一的程序，通过加载不同的配置数据，执行不同的操作。这样做使程序版本统一，不同的应用只要加载不同的配置数据即可，不用更换程序，有利于后期维护。但是考虑到51资源紧张和安全性，我的方案只能显示ARP表不允许修改其内容，用户可发挥想象力在此处增加新功能。另外，ARP程序应该记住上一次发过的请求，以避免重发，但同样考虑到资源紧张，也免了。其实无所谓，重发就重发了。表满处理采用有损性能的加速算法，快速有效。另外，本程序不能直接用于嵌入式网关产品。

uCOS51操作系统本身提供了良好的内存管理功能，我利用它设置了大中小三种缓冲区存放不同类型的数据包。内存使用前申请，使用后释放，有效利用了资源。

系统特点是：1.抢占式优先级；2.消息驱动；3.串行服务器模式。

系统优点是：1.等待时不耗费CPU资源；2.有超时保护，不会死锁；3.思路清晰易懂。

系统基于中断驱动，使用Int0做网卡中断输入口。ISR寄存器只用到4位：OVW 收溢出错/TXE 发被中断错/PTX发送成功/PRX 接收成功。TCP/IP协议栈做成任务，脱离内核。整体框架如图5、6、7所示。主程序框架见伪代码清单(RxSem和TxSem初始化为0)

----------

|网卡中断|

----------

|

V

----------|>

|发信号量||收完/收溢出错

|SemPost |---->-------------- RxSemPost

----------|>

||发完/发被中断错

---------->-------------- TxSemPost

图5 网卡中断处理程序

进入

|------

V||发

----------|低优先级

------> |等待|<---

||TxQPend |<--------------------------

|----------|| |

|| TxQFIFO非空|| |

|V|---<---| |---<---

|----------|数据源 | |各任务发送来的数据

|| 发送包 ||| |

|----------|-----

|||TxQFIFO

|V|

|---------------------|

||释放内存||

||(包已存入网卡RAM里)||

|---------------------|

||-----|

|V|||

|-----------||

||等待|<--| (等效发送包被抛弃)

||TxSemPend|<-----------|

|-----------||

|| 发完/超时||

|V||

| Y---------------------------|

-<---| 发送成功吗？ ||重发第n次||

|(无错且不超时)||n

---------------------------|

| N/^\|

VN||

------------------>------|

|已发了N次吗？|---------->--------

---------------Y

图6 发送流程图

进入

|-----

V||收

-----------|高优先级

------------------>|等待|<--

|--------->|RxSemPend|<---------------

||-----------/|\/|\

||| 收到包 或||

||V 收错 或||

||| 超时||

||-----------|----------

|||存并清ISR|||复位网卡|

-----------|-----------|----------

|RxSemPost||||/^\/^\

-----------|V|||

||--------------------|||

|||超时且无新包且无错| Y|||

|||(防死锁)|->-||

||--------------------||

/|\|(不执行| N||

||RxSemPost)V||

||------------Y||

||| 收溢出错 |--->---------|

||| ISR之OVW ||

| Y| N------------|

------------------| N|

|网卡中还有包吗？|V|

|CURR!=BNRY+1| ------------------------Y|

------------------ |读出包头，查有无逻辑错|--->-------

|------------------------

/|\| N

|V

|------------------------

----------|按包长度申请合适的大中|

|释放内存||小号内存，并存入整个包|

----------|，再调整BNRY|

/^\ /^\------------------------

|||

||V

||N----------------------------

|---<---|是否是发给自己IP地址的包？|

|----------------------------

|| Y

|V

|------------

||包分发|

|------------

||

|V

|----------------------------

|||||

|V-------------------------- IP_in过滤

||VVV

|ARPICMP(Ping)UDPTCP

|||||

|----------------------------

|| 串行处理

|| (32bitMCU可设计成并发模式)

|---------<-------------

图7 接收流程图

我仔细检查了几遍，似乎比较完备了，各种情况下均可以正常工作。在超负荷流量下，只会抛包，不会死机。当然，由于本人接触资料有限和个人局限性，肯定有错误和疏漏之处，希望大家提出意见和建议。

伪代码清单:

ARP_init() //ARP缓存初始化

{

for(i=0;i

ARPTable[i].status=0;

}

ARP_request(目的IP地址) //ARP请求

{

//判断IP地址是否属于同一子网的任务交给上层软件处理

//(由它决定请求网卡IP地址还是默认网关IP地址)，

//这有利于减少代码量。

//申请小号内存

pARP=OSMemGet();

//填以太网帧

以太网协议=0x0806;//ARP协议

目的MAC地址=0xffff;//广播地址

源MAC地址=自己的MAC地址;

//填ARP表

硬件类型=0x0001;

协议类型=0x0800;

硬件地址长度=0x06;

协议长度=0x04;

操作=0x0001;//请求

发送方首部=自己的MAC地址;

发送方IP地址=源IP地址;

目标首部=0x0000;

目标IP地址=目的IP地址;

//填充PAD

没有内容处填充0;

//发送ARP包至TxQFIFO缓存

OSQSend(QID,*pARP);

}

ARP_answer(*pARP) //ARP应答

{

学习/更新ARP缓存表;

//修改收到的ARP包，形成ARP应答

//填以太网帧

目的MAC地址=对方(网卡/网关)发来的源MAC地址;

源MAC地址=自己的MAC地址;

//填ARP表

目标首部=发送方首部;发送方首部=自己的MAC地址;

交换发送方IP地址和目标IP地址;

操作=0x0002;//ARP应答

//发送ARP包至TxQFIFO缓存

OSQSend(QID,*pARP);

}

ARP_process(*pARP) //ARP应答处理

{

//更新

for(i=0;i

if(ARPTab[i].status==1){

if(ARPTab[i].IPAdr==收到的ARP应答包源IP地址){

ARPTab[i].ttl=最大寿命;

ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;

ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;

return;

}

}

}

//学习

for(i=0;i

if(ARPTab[i].status==0){

ARPTab[i].status=1;

ARPTab[i].ttl=最大寿命;

ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;

ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;

return;

}

}

//表满处理，有损性能的快速算法

ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。

ARPTab[index].ttl=最大寿命;

index++;

if(index>=ARPTabSize) index=0;

}

IP_in(*pIP) //IP包过滤(ARP地址学习) 注：这里处理的是IP包，伪代码与上面程序相似，但源代码差别很大。

{

//更新

for(i=0;i

if(ARPTab[i].status==1){

if(ARPTab[i].IPAdr==收到的IP包源IP地址){

ARPTab[i].ttl=最大寿命;

ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;

ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;

return;

}

}

}

//学习

for(i=0;i

if(ARPTab[i].status==0){

ARPTab[i].status=1;

ARPTab[i].ttl=最大寿命;

ARPTab[i].IPAdr=收到的包的源IP地址;

ARPTab[i].MACAdr=收到的包的源MAC地址;

return;

}

}

//表满处理，有损性能的快速算法

ARPTab[index].status=1; //注：index为全局变量，保存ARP缓存表项索引。每次处理加1取模。

ARPTab[index].ttl=最大寿命;

index++;

if(index>=ARPTabSize) index=0;

}

timer() //软定时器任务，用于ARP老化

{

for(;;){

taskDelay(1秒);

for(i=0;i

if(ARPTab[i].status==1){

if(ARPTab[i].ttl==0)

ARPTab[i].status=0;

else

ARPTab[i].ttl--;

}

}

}

主程序框架：

initNIC//初始化网卡

//创建资源

TxSem和RxSem信号量

TxQFIFO队列

大中小内存设立

//创建任务

收

发

。

。

。

参考文献：

1。《用TCP/IP进行网际互连》(第3版)第一、二、三卷 DOUGLAS E.COMER著 电子工业出版社