DIY TCP/IP ARP模块0
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7. ARP模块的实现
本章介绍DIY TCP/IP ARP模块的实现，回顾第一章可行性分析中的描述，DIY TCP/IP 上层模块包括ICMP，IP，TCP和UDP协议帧的接收和发送，都依赖于ARP先建立虚拟IP地址和运行DIY TCP/IP 主机的MAC地址的映射。便于验证，DIY TCP/IP各个模块都是先实现接收，ARP模块的实现也不例外。本章目标是对接收到的ARP Request数据帧进行回复，如果在发送ARP Request的主机上，通过ARP命令查看能够找到虚拟IP和运行DIY TCP/IP主机的MAC地址的映射，则说明ARP模块对ARP Request的处理是正确的。能够处理ARP Request之后，DIY TCP/IP就可以在此基础上实现ICMP，IP和TCP模块了。
测试方法：运行DIY TCP/IP的主机，记为A。与A处与同一局域网的另一台主机，记为B。在主机B上，ping局域网中不存在的IP地址。ping 之前先通过”arp -d”命令清除B上的ARP映射表，确保主机B在发送ping (ICMP Request)数据帧时，会先发出ARP Reqeust数据帧。ARP Request是广播帧，A主机的网卡能够收到该ARP Request，并将该ARP Request交给Linux kernel中的ARP层处理，但是 ARP request请求的IP地址是局域网中不存在的IP地址，所以A主机上Ubuntu的Linux kernel的TCP/IP协议栈不会应答。DIY TCP/IP的ARP模块完成对不存在的IP地址的ARP Request的应答，建立虚拟IP与主机A MAC地址的映射。相当于为主机A虚拟一个局域网中不存在的IP地址。如果读者再尝试ping 主机A的网络接口的真实IP地址，就可以在B主机的ARP映射表找到两个IP地址与主机A的MAC地址对应，一个IP是主机A的网络接口的真实IP，另一个IP是不存在的DIY TCP/IP 的IP。
7.1 ARP Request和ARP Reply的帧结构
先来看一下正常的ARP Request和ARP Reply是如何发出的，本节继续使用，本章开头测试方法中定义的主机A和主机B。主机B是windows操作系统，打开windows的命令行界面cmd，通过arp –a 查看arp映射表，如果主机A的IP地址和MAC地址的映射条目已经存在，则通过arp –d xxx.xxx.xxx.xxx删除该条目，然后在命令行中输入ping 主机A的IP地址，通过wireshark抓包，结果如下：
上图是主机A上wireshark的抓包结果：第1列是帧序号，第2列是时间戳，第3列是源IP地址，第4列是目标地址。无IP地址的情况在wireshark软件中显示MAC地址，有IP地址的情况显示IP地址，第5列是协议字段，第6列是帧长度，第7列是wireshark对数据帧有效载荷的部分内容的字符解释。主机B上删除了arp表中的内容后，ping主机A，主机B首先发出的是广播帧ARP Request，然后主机A回应单播帧ARP Reply。有的朋友会发现跟在ARP Reply后面的ICMP数据帧，该数据帧是主机B发出的ICMP Echo数据帧，这部分内容在实现DIY TCP/IP的ICMP 模块时引入。
ARP Request
上图是ARP Request数据帧在wireshark中的解析，以太网头部后面是ARP Request数据帧的内容。可以看出ARP与IP同处于以太网之协议上，属于同一层协议。以太网的目的地址为广播地址，源地址为主机B的MAC地址，协议类型为0x0806，ARP Request的帧结构如下表：
有关ARP协议的详细内容，感兴趣的朋友可以参考RFC6747。本节的目的不在于介绍ARP协议的详细内容，而是弄清楚怎样解析ARP Request以及怎样回复正确的ARP Reply，然后写代码实现。
0x0806可以解析出，以太网头部后面的有效载荷为ARP帧。通过ARP数据帧的operation code可以解析出ARP帧的类型为ARP Request，发送ARP Request的主机B不知道Target IP对应的MAC地址，所以Target MAC为全0，Sender MAC和IP为主机B的MAC地址和IP地址。
ARP Reply
ARP Reply的帧结构与ARP Request帧结构一致，不同之处是发送ARP Reply的主机已经知道的对方的MAC地址，所以ARP Reply为单播帧，以太网头部类型字段为0x0806，ARP 的operation code为0x02，Sender和Target的MAC和IP地址均为有效值。
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