深入Linux ARP协议的源码研究

1. ARP协议的概述

ARP（Address Resolution Protocol），地址解析协议，是用于将一个IP地址解析为对应的物理MAC地址的协议。在Linux系统中，ARP协议的实现主要在内核中进行。在本文中，我们将深入研究Linux内核中ARP协议源码的实现细节。

2. ARP协议的工作原理

ARP协议的工作原理主要包括ARP请求和ARP响应两个基本步骤。当主机A需要与主机B进行通信时，如果A不知道B的MAC地址，A就会发送一个ARP请求广播，要求网络上的所有主机回应自己的MAC地址。主机B收到ARP请求后，会将自己的MAC地址封装在ARP响应中发送给主机A。这样，主机A就获得了B的MAC地址，并可以建立起通信连接。

2.1 ARP请求的处理

当Linux内核接收到一个ARP请求报文时，会触发一个中断处理函数，该函数通常为arp_rcv()。在这个函数中，内核会对ARP请求进行处理，并生成相应的ARP响应报文。

static void arp_rcv(struct sk_buff *skb)

{
    struct arphdr *arp;
    
    arp = (struct arphdr *)skb->data;
    switch (ntohs(arp->ar_op)) {
        case ARPOP_REQUEST:
            arp_process(skb);  // 处理ARP请求
            break;
        case ARPOP_REPLY:
            arp_recv_reply(skb);  // 处理ARP响应
            break;
        default:
            kfree_skb(skb);  // 丢弃无效的ARP报文
            break;
    }
}

在arp_process()函数中，内核会获取ARP请求中的目标IP地址，并检查目标IP地址是否为本机IP地址。如果目标IP地址和本机IP地址相匹配，内核就会生成相应的ARP响应报文，并通过网络接口发送给发送ARP请求的主机。

static int arp_process(struct sk_buff *skb)

{
    struct arphdr *arp;
    struct net_device *dev;
    
    arp = (struct arphdr *)(skb->data);
    dev = skb->dev;
    
    if (!arp_is_valid(dev, skb))
        goto out;
    
    if (arp->ar_tip == dev->ip_ptr->ifa_list->ifa_address) {
        arp_send_reply(skb);  // 生成ARP响应报文
    }
    
out:
    kfree_skb(skb);
    return 0;
}

2.2 ARP响应的处理

当Linux内核接收到一个ARP响应报文时，会触发一个中断处理函数，该函数通常为arp_rcv()。在这个函数中，内核会对ARP响应进行处理，并更新本机的ARP缓存表。

static void arp_rcv(struct sk_buff *skb)

{
    struct arphdr *arp;
    
    arp = (struct arphdr *)skb->data;
    switch (ntohs(arp->ar_op)) {
        case ARPOP_REQUEST:
            arp_process(skb);
            break;
        case ARPOP_REPLY:
            arp_recv_reply(skb);  // 处理ARP响应
            break;
        default:
            kfree_skb(skb);
            break;
    }
}

在arp_rcv_reply()函数中，内核会根据ARP响应报文中的源IP地址和源MAC地址更新本机的ARP缓存表。如果ARP缓存表中已经存在相应的条目，且MAC地址不一致，内核会更新该条目的MAC地址为新的值。

static void arp_recv_reply(struct sk_buff *skb)

{
    struct arphdr *arp;
    
    arp = (struct arphdr *)(skb->data);
    
    if (arp->ar_sip == dev->ip_ptr->ifa_list->ifa_address) {
        update_arptable(arp->ar_sip, arp->ar_sha);  // 更新ARP缓存表
    }
    
    kfree_skb(skb);
}

3. ARP缓存表的管理

在Linux内核中，ARP缓存表用于保存已解析的IP地址和对应的MAC地址。当主机需要与某个IP地址通信时，会首先在ARP缓存表中查找该IP地址的MAC地址。如果找到对应的条目，则直接使用该MAC地址进行通信；如果没有找到对应的条目，则需要发送ARP请求进行地址解析。

3.1 ARP缓存表的数据结构

Linux内核中的ARP缓存表使用一个哈希表来组织，每个哈希桶中保存了多个ARP缓存项。每个ARP缓存项包含了目标IP地址、目标MAC地址和对应的网络接口等信息。

struct arptable {

    struct hlist_head *arptable;
    unsigned int buckets;
    rwlock_t lock;
};
struct arp_cache {
    struct hlist_node node;
    struct net_device *dev;
    __be32 ip;
    __be16 flags;
    unsigned char haddr[ETH_ALEN];
};

3.2 添加ARP缓存项

当内核收到一个ARP响应报文时，会使用源IP地址和源MAC地址创建一个ARP缓存项，并将它添加到ARP缓存表中。

static void update_arptable(__be32 ip, unsigned char *mac)

{
    struct arp_cache *entry;
    
    entry = arp_create_entry(ip, mac);  // 创建新的ARP缓存项
    if (!entry)
        return;
    
    write_lock_bh(&arptable.lock);
    arp_add_entry(entry);  // 添加到ARP缓存表
    write_unlock_bh(&arptable.lock);
}

在arp_create_entry()函数中，内核会申请内存并初始化一个新的ARP缓存项。然后，将源IP地址、源MAC地址和网络接口等信息填充进去。

static struct arp_cache *arp_create_entry(__be32 ip, unsigned char *mac)

{
    struct arp_cache *entry;
    
    entry = kmalloc(sizeof(struct arp_cache), GFP_ATOMIC);
    if (!entry)
        return NULL;
    
    entry->ip = ip;
    entry->flags = ARPTABLE_FLAG_RESOLVED;
    memcpy(entry->haddr, mac, ETH_ALEN);
    entry->dev = skb->dev;
    
    return entry;
}

3.3 查找ARP缓存项

当主机需要与某个IP地址通信时，内核会在ARP缓存表中查找该IP地址的MAC地址。如果找到对应的条目，内核就可以直接使用MAC地址进行通信。

static struct arp_cache *arp_find_entry(__be32 ip)

{
    struct arp_cache *entry;
    struct hlist_node *p;
    unsigned int hash = arp_hash(ip);
    
    read_lock_bh(&arptable.lock);
    hlist_for_each_entry(entry, p, &arptable.arptable[hash], node) {
        if (entry->ip == ip) {
            read_unlock_bh(&arptable.lock);
            return entry;  // 找到IP地址对应的ARP缓存项
        }
    }
    read_unlock_bh(&arptable.lock);
    
    return NULL;  // 没有找到IP地址对应的ARP缓存项
}

4. 总结

本文深入研究了Linux内核中ARP协议的源码实现。我们了解了ARP协议的工作原理，包括ARP请求和ARP响应的处理，以及ARP缓存表的管理。通过深入研究源码，我们更加清楚了ARP协议在Linux系统中是如何实现的。