以太網(wǎng)通信基礎(chǔ)知識(shí)

開發(fā)以太網(wǎng)的小伙伴，對(duì)ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）已經(jīng)見怪不怪。在控制器剛啟動(dòng)階段，總線上會(huì)看到一些ARP報(bào)文。那么，問(wèn)題來(lái)了，為什么在控制器啟動(dòng)階段，會(huì)有ARP報(bào)文呢？ARP報(bào)文到底扮演著什么樣的角色呢？本文，聊一聊ARP。

1、以太網(wǎng)通信基礎(chǔ)

我們知道，以太網(wǎng)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point-to-Point）的通信方式。如果兩個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)建立通信，發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先需要知道和誰(shuí)通信。發(fā)送節(jié)點(diǎn)如何知道和誰(shuí)通信呢？答：MAC地址（Media Access Control Address）。MAC地址也稱為網(wǎng)卡，每一個(gè)網(wǎng)卡分配唯一MAC地址（長(zhǎng)度為6 Bytes）。所以，知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MAC地址，才能知道信息要發(fā)給誰(shuí)。而在整車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互由交換機(jī)（Switch）進(jìn)行二層轉(zhuǎn)發(fā)，示意如下：

（一）ARP幀格式

不管何種總線，為了確保信息有效交互，會(huì)根據(jù)軟、硬件層級(jí)，設(shè)計(jì)不同的通信協(xié)議。本文關(guān)注鏈路層的以太網(wǎng)幀和網(wǎng)絡(luò)層的ARP協(xié)議，ARP報(bào)文封裝在以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)段傳輸，如下所示：

硬件類型（2 Byte）：表示硬件地址類型，eg：以太網(wǎng)為1

協(xié)議類型（2 Byte）：表示上層協(xié)議類型，eg：IPv4為0x0800

硬件地址長(zhǎng)度（1Byte）：表示硬件地址長(zhǎng)度，eg：以太網(wǎng)為6

協(xié)議地址長(zhǎng)度（1Byte）：表示協(xié)議地址長(zhǎng)度，eg：IPv4為4

操作碼（Option，2 Byte）：表示ARP請(qǐng)求或響應(yīng)的操作類型，eg：請(qǐng)求（Request）為1，響應(yīng)（Replay）為2

源MAC地址（6 Byte）：發(fā)送ARP請(qǐng)求的主機(jī)的MAC地址

源IP地址（4Byte）：發(fā)送ARP請(qǐng)求的主機(jī)的IP地址

目標(biāo)MAC地址（6Byte）：目標(biāo)主機(jī)的MAC地址（在ARP請(qǐng)求中通常為空，即：全0x00）

目標(biāo)IP地址（4Byte）：目標(biāo)主機(jī)的IP地址

通過(guò)ARP報(bào)文格式可以看出，ARP記錄著IP與MAC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：通過(guò)IP關(guān)聯(lián)的MAC地址，最終找到通信的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。而在TCP/IP的分層結(jié)構(gòu)中，ARP屬于網(wǎng)絡(luò)層，因此，網(wǎng)絡(luò)層的源節(jié)點(diǎn)實(shí)體、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)體之間通過(guò)IP地址識(shí)別彼此。但是，ARP報(bào)文封裝在以太網(wǎng)幀中，依賴以太網(wǎng)鏈路層傳輸，而以太網(wǎng)鏈路層的尋址方式為MAC地址，因此，需要把IP地址轉(zhuǎn)換成MAC地址才能將上層待發(fā)送的信息發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所以，這就是ARP出現(xiàn)的意義。 首先，同一局域網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)分配一個(gè)或者多個(gè)IP，數(shù)據(jù)鏈路層固化一個(gè)唯一MAC地址，由標(biāo)識(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，如下所示：

其次，通過(guò)ARP報(bào)文獲取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC，形成目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的對(duì)，進(jìn)而，每個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)ARP Table。有了ARP Table以后，發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，就可以通過(guò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP地址，查找目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址，進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ARP Table示意如下：

（二）交換機(jī)如何轉(zhuǎn)發(fā) ARP Table形成以后，解決了發(fā)送節(jié)點(diǎn)知道發(fā)送給誰(shuí)的問(wèn)題，但是，還有一個(gè)問(wèn)題需要解決：交換機(jī)（Switch）如何知道信息轉(zhuǎn)發(fā)給誰(shuí)呢？答：路由表（Route Table），示意如下：

當(dāng)交換機(jī)某個(gè)端口（Port #n）收到以太網(wǎng)幀以后，會(huì)通過(guò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址查找Route Table，如果找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)端口號(hào)，則將信息轉(zhuǎn)發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)路由的目的。同時(shí)，也會(huì)檢查發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC地址是否已經(jīng)緩存，如果Route Table中沒有緩存發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC，則將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC地址和入口Port緩存到Route Table。

2、ARP通信原理

（一）

控制器初始啟動(dòng)階段，ARP緩存表為空，即：ARP Table沒有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息。此時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送ARP報(bào)文，請(qǐng)求目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址。注意：目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP地址已知。請(qǐng)求示意如下：

發(fā)送節(jié)點(diǎn)（MCU2）發(fā)送的ARP報(bào)文信息如下所示：

解析：

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送ARP報(bào)文時(shí)，會(huì)包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的IP（192.168.0.2）、發(fā)送節(jié)點(diǎn)MAC（020000:02）、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的IP（192.168.0.1）；

由于不知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC，所以，在ARP報(bào)文中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址（上圖中的Target Protocol Address）用全0x00表示；

由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)不知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在哪個(gè)位置，所以，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送ARP請(qǐng)求時(shí)，使用廣播的方式發(fā)送，即：Destination為全0xFF。

（二）

當(dāng)交換機(jī)收到MCU2的ARP請(qǐng)求報(bào)文以后，發(fā)現(xiàn)：路由表中找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的Port（初始階段為空），于是，交換機(jī)向所有端口廣播ARP報(bào)文（不包含接收端口），同時(shí)，緩存MCU2的MAC2和Port2，如下所示：

（三）

當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（MCU1）收到ARP請(qǐng)求報(bào)文以后，發(fā)現(xiàn)MAC地址與自身匹配，則接收該ARP報(bào)文，同時(shí)將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC2緩存下來(lái)。MCU1之后給出ARP響應(yīng)，由于知道了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的MAC地址，所以，MCU1響應(yīng)ARP報(bào)文時(shí)，單播發(fā)送ARP報(bào)文。當(dāng)交換機(jī)收到MCU1的ARP響應(yīng)以后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是MCU2，而且MCU2的MAC2已經(jīng)關(guān)聯(lián)Port2，則直接將ARP報(bào)文發(fā)送給MCU2，同時(shí)，交換機(jī)緩存。當(dāng)MCU1接收到MCU2的ARP響應(yīng)以后，也會(huì)緩存。之后，MCU1和MCU2即可正常通信，示意如下：

提示：非目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到ARP報(bào)文以后，直接丟棄。

響應(yīng)節(jié)點(diǎn)（MCU1）發(fā)送的ARP報(bào)文信息如下所示：

解析： ARP響應(yīng)報(bào)文屬于單播。

審核編輯：湯梓紅