分析Linux网络模块Arp源代码

1. 简介

Arp（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一种用于获取网络层地址和物理层地址的协议，它用于在互联网中将IP地址转换为MAC地址。本文将分析Linux内核中的Arp模块的源代码，探讨其实现原理和关键函数。

2. Arp模块结构

Linux内核中的Arp模块由多个文件组成，其中最重要的文件是`arp.c`和`arp.h`。

2.1 `arp.h`文件

`arp.h`文件定义了Arp模块的数据结构、常量和函数声明。其中包括：

struct arpreq {
  struct sockaddr_in arp_pa;   /* protocol address */
  struct sockaddr_in arp_ha;   /* hardware address */
  int arp_flags;
  struct sockaddr_in arp_netmask; /* netmask */
  char arp_dev[16];
};
struct neighbour {
  struct hh_cache *hh;
  int nud_state;
  __u8 ha[ETH_ALEN];
  struct sk_buff_head arp_queue;
  struct rcu_head rcu;
  int arp_count;
  __u32 primary_key;
  unsigned long confirmed:1,
            updated:1,
            noref:1,
            failcount:8;
  int parms_cookie;
  struct neighbour *proxy_redir;
  __be32 saddr;
};
struct neightbl_config {
  int entries;
  unsigned int gc_thresh1;
  unsigned int gc_thresh2;
  unsigned int gc_thresh3;
  struct neigh_table *tbl;
};

2.2 `arp.c`文件

`arp.c`文件是Arp模块的核心代码文件，实现了Arp协议的功能。其中包括了一系列实现Arp协议的函数，如：

3. Arp协议的实现原理

在Linux内核中，Arp模块首先会通过`arp_ioctl()`函数接收用户空间的Arp请求。

static int arp_ioctl(struct net *net, struct ifreq *ifr, unsigned int cmd)
{ ... }

然后，Arp模块会调用`arp_send()`函数向目标主机发送Arp请求，并等待目标主机的回复。

static void arp_send(int type, int ptype, int code, struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
{ ... }

当目标主机的Arp回复到达后，Arp模块会调用`arp_rcv()`函数进行处理。

static int arp_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)
{ ... }

最后，Arp模块将Arp缓存存储在neighbour数据结构中，并通过`neigh_event_send()`函数通知其他模块。

static inline void neigh_event_send(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb)
{ ... }

4. 关键函数解析

4.1 `arp_send()`函数

函数原型：`static void arp_send(int type, int ptype, int code, struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)`

重要部分：

if (neigh_hh_init(skb, &neigh_hh_arg) == NULL)
  goto out;

通过`neigh_hh_init()`函数初始化ARP缓存，存储目标主机的MAC地址。

4.2 `arp_rcv()`函数

函数原型：`static int arp_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)`

重要部分：

for (p = &rcu_dereference_bh(arp_tbl[thash].arp_list[hh->hh_type]);
     p != NULL;
     p = pnext) {
  pnext = p->next;
  if (hh->hh_data.res.dst_lsb == p->ha[hh->hh_type]) {
    ndo_appfunc(skb, ND_NET_ARP_IP);
    if (!atomic_read(&skb->users))
      kfree_skb(skb);
    rcu_read_unlock_bh();
    return skb->len;
  }
}

通过遍历ARP缓存链表，查找并比对目标主机的MAC地址。

5. 总结

本文分析了Linux内核中的Arp模块的源代码，探讨了其实现原理和关键函数。Arp模块通过发送Arp请求并接收回复来获取目标主机的MAC地址，然后将其存储在Arp缓存中，以供后续使用。

在实际应用中，Arp模块对于网络通信起到了至关重要的作用，能够实现网络层地址和物理层地址之间的转换，提高了网络通信的效率和可靠性。同时，深入理解Arp模块的源代码对于Linux内核网络协议栈的学习和理解也具有重要意义。