Linux ARP协议源码解析.docx
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LinuxARP协议源码解析
LinuxARP协议源码解析
arp_tbl是一个类型为struct neigh_table的全局变量，它是一个ARP的缓存表，也称为邻居表。
协议栈通过ARP协议获取到的网络上邻居主机的IP地址与MAC地址的对应关
系都会保存在这个表中，以备下次与邻居通讯时使用，同时，ARP模块自身也会提供一套相应的机制来更新和维护这个邻居表。
下面逐个分析arp_tbl中的重要成员数据与函数。
entry_size，key_len，kmem_cachep。
entry_size是一个入口的大小，也就是arp_tbl中一个邻居的大小，邻居用struct
neighbour结构体表示，该结构体的最后一个成员是u8primary_key[0]，用于存放IP地址，作为这个邻居的哈希主键。
所以entry_size的大小就是sizeof（structneighbour）+4，因为是用IP地址作主键，所以key_len就是4。
kmem_cachep是一个后备高速缓存，创建一个邻居需要的内存从这个后备高速缓存中去取。
hash_buckets，hash_mask，entries，hash。
hash_buckets是一个哈希数组，里面存放了arp_tbl当前维护的所有的邻居，hash_mask是哈希数组大小的掩码，其初始值为1，所以hash_buckets的初始大小为2（0到hash_mask的空间范围）。
entries是整个arp_tbl中邻居的数量，当entries大于hash_mask+1的时候，hash_buckets增长为原来的两部。
成员hash是一个哈希函数指针，用于计算哈希值。
phash_buckets，PNEIGH_HASHMASK。
这是用于代理ARP的邻居哈希表，PNEIGH_HASHMASK固定为0xF,所以phash_buckets固定有16项，其它与hash_buckets相同。
id。
id作为这个邻居表的一个名称，是一个字符串信息，内核协议栈的arp_tbl的id是arp_cache。
gc_interval，gc_thresh1，gc_thresh2，gc_thresh3。
gc_thresh3是arp_tbl中允许拥有的邻居数量的上限，一旦超过这个上限，并且表中没有可以清理掉的垃圾邻居，那么就无法创建新的邻居，这个值缺省被置为1024。
gc_thresh2是第二个阀值，如果表中的邻居数量超过这个阀值，并且在需要创建新的邻居时，发现已经超过5秒时间表没有被刷新过，则必须立即刷新arp_tbl表，进行强制垃圾回收，这个值缺省被置为512。
gc_thresh1的用途暂时还没有发现，它缺省被置为128。
gc_interval应该是常规的垃圾回收间隔时间，被缺省置为30秒，但目前在源代码中似乎没有看到它的应用。
强制垃圾收集的工作即是把引用计数为1，且状态中没有NUD_PERMANENT的邻居全部从arp_tbl表中删除。
gc_timer。
这是一个常规垃圾回收的定时器，其定时处理函数是neigh_periodic_timer。
该定时器超时后，处理函数处理hash_buckets表中的一项，下次超时后，再处理下一项，这里的垃圾回收比强制垃圾回收条件要宽松得多，如果邻居的状态为NUD_PERMANENT或
NUD_IN_TIMER（该邻居正在解析中），则不能回收。
当邻居的引用计数为1时，并且邻居状态为NUD_FAILED（解析失败）或者该邻居距最近一次被使用时间已超过参数表中gc_staletime的值（缺省为60秒）,则可以作为垃圾回收。
回收完毕后，要设置下一次进行回收的时间（gc_timer的超时时间），下次回收时间为参数表中base_reachable_time的值（缺省设为30秒）的一半，再除以hash_buckets哈希表中的项数。
也就是，基本上15秒左右会把整个arp_tbl缓存表进行一次垃圾回收。
proxy_timer，proxy_queue，proxy_redo。
proxy_timer是一个关于代理ARP的定时器，proxy_queue是一个待处理的代理ARP数据包的队列，每次定时器超时，处理函数neigh_proxy_process依次检查队列中每一个代理ARP数据包（structsk_buff），对于超时，且满足相关条件的，调用proxy_redo进行处理。
有关代理ARP，将专门分析讲述，这里暂时略过。
constructor。
这是一个邻居的初始化函数指针，每次创建出一个邻居后，需要马上调用这
个函数对新创建的邻居进行一些初始化操作。
邻居创建完，已经被赋于一个IP地址（邻居结构体的primary_key成员），该函数首先根据这个IP地址来确定其地址类型，然后为邻居选择相应的操作函数集（初始化邻居结构体的一些成员，在讲到邻居结构体内容时再进行分析）。
pconstructor，pdestructor。
这是代理ARP的邻居的构建和析构函数指针，在IPv4模块中，未提供这两个函数，所以它们的指针值为空。
parms。
这是一个结构体structneigh_parms的链表，系统中每个网络设备接口对应链表中一个节点，表示该设备接口上的邻居的一些传输参数。
同时，链表中还有一个缺省的项。
last_rand，hash_rand
这两个成员其实没有联系，hash_rand是用于邻居哈希表hash_buckets的一个随机数，last_rand用于记录一个时间，即上次为parms链表中每个节点生成reachable_time的时间，reachable_time是需要被定时刷新的。
stats。
记录arp_tbl被操作次数的一些统计数据。
结构体structneigh_table是一个哈希表，用于描述物理上互相连接的机器的信息。
ARP缓存myarp_tbl就是这样的一个结构。
在分析ARP相关的初始化之前，我们先来看一下这个结构体：
tructneigh_table
{
structneigh_table*next;
intfamily;
intentry_size;
intkey_len;
__u32（*hash）（constvoid*pkey,
conststructnet_device*）;
int（*constructor）（structneighbour*）;
int（*pconstructor）（structpneigh_entry*）;
void（*pdestructor）（structpneigh_entry*）;
void（*proxy_redo）（structsk_buff*skb）;
char*id;
structneigh_parmsparms;
/*HACK.gc_*shoulfollowparmswithoutagap!
*/
intgc_interval;
intgc_thresh1;
intgc_thresh2;
intgc_thresh3;
unsignedlonglast_flush;
structtimer_listgc_timer;
structtimer_listproxy_timer;
structsk_buff_headproxy_queue;
atomic_tentries;
rwlock_tlock;
unsignedlonglast_rand;
kmem_cache_t*kmem_cachep;struct
neigh_statistics*stats;
structneighbour**hash_buckets;
unsignedint
hash_mask;
__u32hash_rnd;
unsignedinthash_chain_gc;
structpneigh_entry**phash_buckets;
#ifdefCONFIG_PROC_FS
structproc_dir_entry*pde;
#endif
};
entry_size是一个入口的长度，一个入口代表一个neighbour的信息,hash_buckets即为存放所有邻居的一个哈希数组，每一项对应一条neighbour链表。
struct
neighbour用于代表一个neighbour，包含了其信息，下面是其重要的一些成员：
dev代表与这个邻居相连的网络设备；nud_state代表邻居的状态（未完成，无法访问，过时，失败）；ha表示邻居的mac地址；hh是以太网包的
头部缓存；arp_queue是等待这个邻居的硬件地址的IP包队列；ops是对该neighbour节点操作的一套函数；primary_key是哈希
表的主键，一般为IP地址。
key_len是哈希表主键的长度，一般IP地址长度为4。
几个函数分别为哈希函数，构造和析构函数。
parms是ARP缓存的一些参数，包括ARP包传输时间，重发时间，队列长度和代理队列长度等等。
ARP缓存有一个回收机制（garbage
collection），上面以gc_开头的参数用来设置回收的频率和阀值等等。
stats是一些关于邻居的统计信息。
ARP初始化的第一个步是初始化ARP缓存myarp_tbl，并把它加到全局链表neigh_tables的表头，其实，系统中所有的neigh_table都放在这个表中。
ptype_base
是一个有16项的哈希数组，每种协议包类型都注册在这个数组中。
arp包，其类型是ETH_P_ARP，其接收函数是
myarp_rcv。
有了这个注册信息，当设备上收到一个网络包（packet）的时候，会分配一个sk_buff（skb），将数据拷贝进这个缓冲区，
然后调用netif_rx把skb放入等待队列（input_pkt_queue）中，并且产生一个软中断。
当系统处理这个软中断的时候，会调用
net_rx_action，它根据网络包的类型，调用相应的接收函数来处理。
如果是ARP包，则调用myarp_rcv。
ARP缓存myarp_tbl是用于描述物理上相互连接的机器的信息的一个哈希表，关于这个缓存，我们前面作过分析。
现在我们来看看，当主机收到一个需要本地接收的ARP请求时，如何向ARP缓存中更新一个ARP信息。
当网络设备收到一个ARP数据包后，最终会调用到协议栈中的myarp_process处理函数，这个函数的处理会涉及到路由表的查询和更新。
但我们现在的my_inet模块还没有真正完成路由表的初始化，所以略过其中很多细节，只关注ARP缓存的更新与查询。
myarp_process通过调用__neigh_lookup函数更新ARP缓存，下面是该函数的定义：
staticinlinestructneighbour*__neigh_lookup（structneigh_table*tbl,
constvoid*pkey,
structnet_device*dev,
intcreat）
参数tbl是ARP缓存哈希表，传入全局变量myarp_tbl。
pkey是哈希主键，传入发送端ip地址，在我们的实验环境中，是通过
172.16.48.1向172.16.48.11发送icmp回显请求包来触发myarp_process的执行，所以，pkey就是ip地址
172.16.48.1。
dev是接收到该数据包的网络接口。
create表示在缓存中不存在该机器的信息时，是否需要创建一个，我们现在的目的是更新，所以选择是，传入1。
该函数首先调用neigh_lookup在ARP缓存中查找。
neigh_lookup首先通过pkey,dev计算得到一个哈希值hash_val，再找到myarp_tbl中的一个链表
myarp_tbl->hash_buckets[hash_val]，遍历该链表，如果能找到dev,
pkey都相等的项，就是我们所要找的structneighbour。
在这里，还要更新myarp_tbl的成员stats中的一统计数据。
显然，第一次收到ARP请求包，我们是找不到ARP缓存信息的，所以neigh_lookup返回NULL，__neigh_lookup判断
create值，如果不需要创建，就直接返回，如果需要，则调用neigh_create进行缓存信息的创建。
neigh_create首先在内存中分配一个struct
neighbour结构体。
myarp_tbl的成员entries记录了该ARP缓存中已经存在了多少条缓存信息，如果数量超过了gc_thresh3
（1024），或者数量超过了gc_thresh2（512），并且距离上次缓存刷新时间还不到5秒，则需要先强制进行缓存垃圾回收，对于一些未使用的缓
存信息进行清理。
如果清理后，缓存数量还是超过gc_thresh3，则无法再进行创建，出错返回。
对于新创建的neighbour，先给赋一些缺省值。
然后调用myarp_tbl的构造函数，对新创建的
neighbour进一步初始化。
具体的初始化步骤不再详述，我们可以从最后创建出来的neighbour的内容看到一些东西。
接下来，由于新增加了缓存项，需要对myarp_tbl的大小进行调整，如果有需要，需要扩大其容量。
最后，把新创建的neighbour添加到链表示，
新创建的neighbour的内容应该是这样子的：
structneighbour
{
structneighbour*next=原来的链表头;
structneigh_table*tbl=myarp_tbl;
structneigh_parms*parms=in_dev->arp_parms;
structnet_device*dev=dev;
unsignedlongused=now;
unsignedlongconfirmed=now
-60秒;
unsignedlongupdated=now;
__u8flags;
__u8nud_state=NUD_NONE;
__u8type=RTN_LOCAL;
__u8dead=1;
atomic_tprobes;
rwlock_tlock;
unsignedcharha[（MAX_ADDR_LEN+sizeof（unsigned
long）-1）&~（sizeof（unsignedlong）-1）];
//ha是mac地址，在后续的操作会给它赋上值。
structhh_cache*hh=NULL;
atomic_trefcnt=1;
int（*output）（structsk_buff
*skb）=this->ops->connected_output;
structsk_buff_headarp_queue;
structtimer_listtimer;
timer.function=neigh_timer_handler;
timer.data=this;
structneigh_ops*ops=&myarp_hh_ops;
u8primary_key[0]=172.16.48.1（分配内存时，本身就加了4的）;
};
在发送一个IP数据报时，当在确定数据报的输出路由时，需要为本次通讯绑定一个邻居，TCP/IP协议栈用结构体struct
neighbour表示一个邻居。
绑定邻居首先调用的函数是arp_bind_neighbour，该函数调用_neigh_lookup_errno函
数从ARP缓存表中以目的IP地址（网关IP或者同一子网内的对端IP地址）为哈希主键，寻找相应的邻居，如果找不到，则创建。
首先是调用neigh_lookup函数从arp_tbl的成员hash_buckets中寻找，如果找到的邻居的成员dev等于当前的网络设备接口，且primary_key等于当前的目的IP地址，则即为需要的邻居，返回即可。
如果找不到，则需要通过调用neigh_create函数创建一个新的邻居。
下面看一下表示邻居的结构体struct
neighbour的成员，以及创建时为这些成员初始化了什么样的值。
parms。
parms指向ARP缓存表arp_tbl的parms成员，包含了该邻居上的一些传输参数。
dev。
dev成员指向该邻居所在子网内的本机网络设备接口。
type。
该邻居的IP地址类型，这个值由FIB表根据邻居的IP地址来确定，比如类型RTN_UNICAST，RTN_LOCAL等。
ops,output。
ops是该邻居的一组操作函数集，包括输出函数output，直接输出函数dev_queue_xmit，错误报告函数
arp_error_report，arp解析函数solicit等。
根据type的不同，操作函数集略有不同，这在arp_tbl的
constructor函数中确定。
output即为ops中的普通输出函数output，因为其比较常用，所以单独为其设置一个成员。
timer。
这是邻居的定时器，用于解析ARP，其超时函数是neigh_timer_handler。
arp_queue
这是一个structsk_buff的队列，协议栈在发送一个IP数据包时，如果还未进行arp解析，则先把该IP数据包放入arp_queue，然后进行ARP解析。
下面重点看一下structneighbour的成员nud_state，它是邻居的当前状态，邻居在创建，解析的过程中，其状态经历了一系例的变迁过程。
当一个邻居刚刚被创建，其状态是NUD_NONE，此时，邻居被创建出来，并根据其IP地址被加入到arp_tbl的哈希表hash_buckets中，
但它还没有被解析，其成员ha（邻居的硬件地址）为空。
直到向这个邻居发送IP数据报，并且发送流程到达网络层的最后一个发送函数
ip_finish_output2时，调用邻居的output成员函数，一般这个函数是neigh_resolve_output（根据type的不同
会略有不同）。
它会先进行ARP解析，然后把IP数据报发往正确的邻居。
因为当前状态是
NUD_NONE，neigh_resolve_output首先判断parms的成员mcast_probes加上app_probes
的值，这两个参数表示ARP解析时尝试的次数，mcast_probes缺省值置为3，app_probes是0，如果它们的和为零，则不作ARP解析尝
试，直接将状态置为NUD_FAILED。
当前不为零，所以进行解析，首先置邻居的成员probes为parms的ucast_probes，缺省为3，
这样，该邻居等于是已经尝试了3次了，另外还只能多3次（mcast_probes），即该邻居的解析最多尝试3次，如果3次不成功，则失败，结束。
然后
将状态置为NUD_INCOMPLETE，表示正在解析中，并把待解析的socket缓冲skb放入arp_queue队列中，然后启动邻居的定时器开始
ARP解析。
定时器处理函数neigh_timer_handler首先确定下次的超时时间（如果这次解析没有成功）为当前时间加上parms的成员
retrans_time的值（缺省设置为1秒）。
所以，ARP解析的发包超时时间是1秒，连续尝试3次。
ARP解析是通过ops的成员函数
solicit去做的，该成员函数指针指向的arp_solicit函数，arp_solicit会实际发送ARP请求包。
如果arp_solicit发送ARP请求包，连续三次没有得到正确的回应，则把nud_state置为NUD_FAILED，调用ops的成员函数
error_report报告错误。
并把skb从arp_queue队列中取出。
error_report错误报告置dst的超时时间为当前时间，并删除
skb，关于dst，跟FIB相关，涉及到FIB时再详细分析。
置为NUD_FAILED的邻居在下次进行常规垃圾回收时，被删除回收掉。
协议栈在发送一个IP数据报之前，需要发送ARP请求是为了解析IP数据报的目的IP地址对应的硬件地址。
ARP协议可以承载多种硬件类型和多种协议，这里我们只关注以太网上的IP协议，那ARP请求的目的就是为了解析邻居的以太网MAC地址。
ARP请求/应答数据报总共有28字节，其具体格式如下所示（在以太网,IP协议的情况下）：
字段含义：
硬件类型协议类型
硬件地址长度协议地址长度op
字段长度：
22112
字段含义：
发送端以太网地址
发送端IP地址目的以太网地址目的IP地址
字段长度：
6464
硬件类型，对于10Mbps以太网，其取值是ARPHRD_ETHER（值为1），协议类型，对于IP协议来说，就是ETH_P_IP（0x0800）,
在上述条件限定下，硬件地址长度为6，协议地址长度为4，op的值为ARPOP_REQUEST（值为1，表示是ARP请求，或者ARPOP_REPLY
（值为2，表示是ARP应答）。
发送端以太网地址填发送接口的MAC地址，发送端IP地址填源IP地址
（关于源IP地址的选取下文会有详细分析），目的以太网地址，因为当前是ARP请求，所以填入以太网广播地址
0xFF:
0xFF:
0xFF:
0xFF:
0xFF:
0xFF，目的IP地址填入IP数据报的目的地址。
这里，发送端IP地址的选取是一个可配置的选项，文件/proc
/sys/net/ipv4/conf/设备名/arp_announce记录的是它的配置值，这是一个整型数值，取值范围为0-2，0表示只要待发送
IP数据报的源地址为本地地址，就取该地址为发送端IP地址，这也是缺省配置；1表示若待发送IP数据报的源地址为本地地址，并且该IP地址与目的IP地
址在同一子网内，则取该地址为发送端IP地址，否则从所有的本地地址中取一个与目的IP地址在同一子网内的地址；2表示完全忽略IP数据报中的地址，直接
从所有本地输出网络接口中选取一个最为合适的发送端IP地址。
配置级别越高，我们能够获得
ARP回应的机率也就越大。
构建好的ARP请求数据报通过函数dev_queue_xmit发送出去。
在分析接收和处理ARP的回应数据之前，先复习一下协议栈接收网络数据的一个基本流程，网卡驱动程序会创建一个skb，并填入接收到的数据，并把这个
skb传给协议栈的第一个接收函数neti
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