ARP
本篇文章，我们将详细介绍如何在W55MH32芯片上面实现MACRAW模式。并通过实战例程，为大家讲解如何使用MACRAW模式实现ARP解析IP地址为MAC地址。
该例程用到的其他网络协议，例如DHCP，请参考相关章节。有关 W55MH32 的初始化过程，请参考 Network install章节，这里将不再赘述。
MACRAW模式简介
MACRAW 模式是W55MH32 TOE提供的一种底层通信模式，芯片会直接接收和发送以太网帧，而无需解析 TCP/IP 层的协议。 通过这种模式，用户可以直接操作以太网帧的头部（如目的 MAC 地址、源 MAC 地址、以太类型等）和有效负载数据。
请注意:
仅Socket0能设置为MACRAW模式。
ARP协议简介
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个网络协议， 用于通过已知的IP地址解析对应的MAC地址，工作于OSI模型的第二层（数据链路层），它是IPv4网络中局域网通信的重要组成部分。
ARP协议特点
- 协议工作范围： ARP协议仅在同一个局域网（LAN）内工作，因为广播请求无法跨越路由器。
- 缓存机制： 为了减少频繁的广播，设备会将IP-MAC的对应关系缓存一段时间。
- 协议类型： ARP请求（Opcode = 1）：用于查询目标设备的MAC地址。ARP响应（Opcode = 2）：用于回复请求方的ARP消息。
ARP协议请求的工作流程
当发送方主机A需要与目标主机B通信，但只知道目标主机的IP地址， 而不知道目标主机的MAC地址，并且自己的ARP缓存表中也无对应关系，此时会触发ARP请求流程：
- 构建ARP请求：发送方需要构建一个ARP请求数据包。
- 广播ARP请求：发送方将构建好的ARP请求封装为以太网帧，使用广播方式发送到局域网。
- 目标主机接收并处理：网络中的所有主机都会收到广播帧，但只有目标主机（IP地址匹配）会响应。
- 发送方接收ARP响应，并更新自己的ARP缓存表。
ARP协议应用场景
- 地址解析： 当设备需要进行链路层通信时，可以使用ARP协议获取对方MAC地址。
- 网络调试与诊断：在调试嵌入式设备时，通过发送 ARP 请求验证设备的网络连通性。
ARP协议的安全风险及防护措施
尽管ARP协议在局域网通信中非常重要，但它也存在安全风险。例如，ARP欺骗是一种常见的攻击手段，攻击者可以通过伪造ARP回复来误导其他设备， 从而窃取敏感信息或中断网络通信。为了防范ARP欺骗攻击，可以采取以下措施：
- 使用静态ARP表：通过配置静态ARP表项，可以限制和指定IP地址的设备通信时只使用指定的MAC地址。 这样，即使攻击者发送了伪造的ARP报文，也无法修改此表项的IP地址和MAC地址的映射关系。
- 端口安全和静态IP/MAC绑定： 在接入交换机上启用端口安全功能，并将用户IP/MAC地址进行静态绑定。这种方法可以防止用户发出假冒网关的ARP信息。
- 动态ARP检查（DAI）与DHCP侦听：结合使用动态ARP检查和DHCP侦听功能，可以对用户发出的ARP报文进行合法性检测，并过滤掉不符合规则的ARP报文。
- 加密通信协议： 通过使用加密通信协议，可以防止网络流量被窃听和篡改。
- 防火墙和交换机配置： 在防火墙和交换机上设置相应的安全策略，例如启用特殊的ARP报文过滤功能。
- 客户端管理： 确保所有终端设备都遵循安全策略，并定期更新和打补丁。
ARP协议的工作原理
发送ARP请求： 当设备A需要与设备B通信时，首先检查ARP缓存是否存有设备B的MAC地址。如果ARP缓存中没有设备B的MAC地址， 设备A会发送一条广播ARP请求消息，格式为：“谁是IP地址 X.X.X.X？请告诉我（设备A的IP地址和MAC地址）。”
接收ARP响应： 设备B收到广播请求后，检查请求中的IP地址是否与自身匹配。如果匹配， 设备B发送一条单播ARP响应消息给设备A，告知设备B的MAC地址。设备A收到响应后，将设备B的MAC地址缓存起来，用于后续通信。
ARP报文格式
一个标准的ARP报文由以下字段组成，总长度为28字节（不包含链路层帧头）：
报文字段详解
1.硬件类型 (Hardware Type)： 说明所使用的网络类型，例如：
- 1：以太网。
- 6：IEEE 802网络。
对于以太网的ARP报文，该值始终为0x0001。
2.协议类型 (Protocol Type)： 表示要解析的协议类型，例如：
- 0x0800：表示IPv4地址解析。
- 0x86DD：表示IPv6（通常由ND协议替代ARP）。
3.硬件地址长度 (Hardware Address Length)： 定义硬件地址（MAC地址）的长度，通常为6字节（以太网）。
4.协议地址长度 (Protocol Address Length)： 定义协议地址（IP地址）的长度，通常为4字节（IPv4）。
5.操作码 (Operation Code)：
- 1：ARP请求。
- 2：ARP响应。
6.发送方硬件地址 (Sender Hardware Address)： 包含请求方设备的MAC地址。
7.发送方协议地址 (Sender Protocol Address)： 包含请求方设备的IP地址。
8.目标硬件地址 (Target Hardware Address)： 在ARP请求中，这一字段为空（全0）。在ARP响应中，包含目标设备的MAC地址。
9.目标协议地址 (Target Protocol Address)： 包含目标设备的IP地址。
报文内容：
ARP Probe请求报文:
| 报文原文 |
00 01 08 00 06 04 00 01 00 08 dc 12 22 12 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 69
| 报文解析 |
Address Resolution Protocol (ARP Probe) (ARP Probe请求报文，用于检测目标IP地址是否冲突)
Hardware type: Ethernet (1) (硬件类型：1 表示以太网)
Protocol type: IPv4 (0x0800) (协议类型：0x0800 表示IPv4)
Hardware size: 6 (硬件地址长度：6字节)
Protocol size: 4 (协议地址长度：4字节)
Opcode: request (1) (操作码：1 表示ARP请求)
[Is probe: True] (是否为探测：是，用于检测IP冲突)
Sender MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12) (发送方MAC地址：00:08:dc:12:22:12)
Sender IP address: 0.0.0.0 (发送方IP地址：未分配，用于探测)
Target MAC address: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00) (目标MAC地址：全0，未指定)
Target IP address: 192.168.1.105 (目标IP地址：192.168.1.105，探测对象)ARP请求报文:
| 报文原文 |
00 01 08 00 06 04 00 01 00 08 dc 12 22 12 c0 a8 01 69 00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 8a
| 报文解析 |
Address Resolution Protocol (request) (请求报文)
Hardware type: Ethernet (1) (硬件类型：1 表示以太网)
Protocol type: IPv4 (0x0800) (协议类型：0x0800 表示IPv4)
Hardware size: 6 (硬件地址长度：6字节)
Protocol size: 4 (协议地址长度：4字节)
Opcode: request (1) (操作码：1 表示ARP请求)
Sender MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12) (发送方MAC地址)
Sender IP address: 192.168.1.105 (发送方IP地址：192.168.1.105)
Target MAC address: 00:00:00_00:00:00 (00:00:00:00:00:00) (未知目标设备的物理地址)
Target IP address: 192.168.1.138 (目标IP地址：192.168.1.138，目标设备的IPv4地址)ARP响应报文:
| 报文原文 |
00 01 08 00 06 04 00 02 64 4e d7 b1 37 11 c0 a8 01 8a 00 08 dc 12 22 12 c0 a8 01 69
| 报文解析 |
Address Resolution Protocol (reply) (响应报文)
Hardware type: Ethernet (1) (硬件类型：1 表示以太网)
Protocol type: IPv4 (0x0800) (协议类型：0x0800 表示IPv4)
Hardware size: 6 (硬件地址长度：6字节)
Protocol size: 4 (协议地址长度：4字节)
Opcode: reply (2) (操作码：2 表示ARP响应)
Sender MAC address: HP_b1:37:11 (64:4e:d7:b1:37:11) (发送方MAC地址：64:4e:d7:b1:37:11)
Sender IP address: 192.168.1.138 (发送方IP地址：192.168.1.138)
Target MAC address: Wiznet_12:22:12 (00:08:dc:12:22:12) (目标MAC地址，ARP请求者的物理地址)
Target IP address: 192.168.1.105 (目标IP地址：192.168.1.105，ARP请求者的IPv4地址)实现过程
接下来，我们看看如何在W55MH32上实现ARP请求。
步骤1：在主循环中调用do_arp()函数，执行ARP请求流程
while (1)
{
do_arp(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip);
}do_arp()函数如下所示：
void do_arp(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint8_t *dest_ip)
{
uint16_t rlen = 0;
uint16_t local_port = 5000;
uint16_t cnt = 0;
switch (getSn_SR(sn))
{
case SOCK_CLOSED:
close(sn);
socket(sn, Sn_MR_MACRAW, local_port, 0x00);
break;
case SOCK_MACRAW:
arp_request(sn, local_port, dest_ip);
while (1)
{
if ((rlen = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
{
arp_reply(sn, buf, rlen);
break;
}
if (cnt > 1000)
{
printf("Request Time out.\r\n");
cnt = 0;
break;
}
else
{
cnt++;
delay_ms(5);
}
}
break;
}
if (arp_succ_flag)
while (1);
}进入该函数后，程序会执行一个状态机，当socket状态为关闭状态时开启一个MACRAW模式的socket。当socket成功打开为MACRAW模式后，执行arp_request()函数发送ARP请求，然后进入一个循环，当成功接收到响应时，执行arp_reply()函数解析请求。 当超过5秒未能得到响应时，则ARP请求失败。当arp_succ_flag标志位为1时，说明ARP请求成功。
arp_request()函数如下所示：
void arp_request(uint8_t sn, uint16_t port, uint8_t *dest_ip)
{
uint16_t i;
uint8_t broadcast_addr[4] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
for (i = 0; i < 6; i++)
{
pARPMSG.dst_mac[i] = 0xff; // Broadcast address in an Ethernet frame
pARPMSG.tgt_mac[i] = 0x00;
if (i < 4)
{
pARPMSG.tgt_ip[i] = dest_ip[i];
}
}
getSHAR(pARPMSG.src_mac); // Fill in the source MAC address of the link layer
getSHAR(pARPMSG.sender_mac); // Fill in the MAC address of the sender in ARP
getSIPR(pARPMSG.sender_ip); // Enter the IP address of the sender in ARP
pARPMSG.msg_type = htons(ARP_TYPE); // ARP type
pARPMSG.hw_type = htons(ETHER_TYPE); // Ethernet type
pARPMSG.pro_type = htons(PRO_TYPE); // IP
pARPMSG.hw_size = HW_SIZE; // 6
pARPMSG.pro_size = PRO_SIZE; // 4
pARPMSG.opcode = htons(ARP_REQUEST); // request: 0x0001; reply: 0x0002
if (sendto(sn, (uint8_t *)&pARPMSG, sizeof(pARPMSG), broadcast_addr, port) != sizeof(pARPMSG))
{
printf("Fail to send arp request packet.\r\n");
}
else
{
if (pARPMSG.opcode == htons(ARP_REQUEST))
{
printf("Who has %d.%d.%d.%d ? Tell %d.%d.%d.%d\r\n", pARPMSG.tgt_ip[0], pARPMSG.tgt_ip[1],pARPMSG.tgt_ip[2], pARPMSG.tgt_ip[3],
pARPMSG.sender_ip[0], pARPMSG.sender_ip[1], pARPMSG.sender_ip[2], pARPMSG.sender_ip[3]);
}
else
{
printf("Opcode has wrong value. check opcode!\r\n");
}
}
}
在这个函数中，进行了ARP报文的组包以及发送。
arp_reply()函数如下所示：
void arp_reply(uint8_t sn, uint8_t *buff, uint16_t rlen)
{
uint8_t destip[4];
uint16_t destport;
uint8_t ret_arp_reply[128];
uint8_t i;
recvfrom(sn, (uint8_t *)buff, rlen, destip, &destport);
if (buff[12] == ARP_TYPE_HI && buff[13] == ARP_TYPE_LO)
{
aAPRMSG = (ARPMSG *)buff;
if ((aAPRMSG->opcode) == htons(ARP_REPLY))
{
for (i = 0; i < 4; i++)
{
if (aAPRMSG->tgt_ip[i] != pARPMSG.tgt_ip[i])
{
break;
}
arp_succ_flag = 1;
}
memset(ret_arp_reply, 0x00, 128);
sprintf((char *)ret_arp_reply, "%d.%d.%d.%d is at %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
aAPRMSG->sender_ip[0], aAPRMSG->sender_ip[1], aAPRMSG->sender_ip[2], aAPRMSG>sender_ip[3],
aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);
printf("%d.%d.%d.%d is at %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
aAPRMSG->sender_ip[0], aAPRMSG->sender_ip[1], aAPRMSG->sender_ip[2], aAPRMSG->sender_ip[3],
aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);
}
else if ((aAPRMSG->opcode) == htons(ARP_REQUEST))
{
printf("Who has %d.%d.%d.%d ? Tell %.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x.%.2x\r\n",
aAPRMSG->tgt_ip[0], aAPRMSG->tgt_ip[1], aAPRMSG->tgt_ip[2], aAPRMSG->tgt_ip[3],
aAPRMSG->sender_mac[0], aAPRMSG->sender_mac[1], aAPRMSG->sender_mac[2], aAPRMSG->sender_mac[3],
aAPRMSG->sender_mac[4], aAPRMSG->sender_mac[5]);
}
}
else
{
// printf("This message is not ARP reply: opcode is not 0x02!\r\n");
}
}
在这个函数中，我们会将接收到的ARP报文进行校验，如果ARP报文为回复报文， 并且回复的IP地址与我们请求的IP地址匹配时，将arp_succ_flag标志位置一，表示ARP请求成功。
运行结果
请注意:
测试实例需要PC端和W55MH32处于同一网段。
烧录例程运行后，首先可以看到进行了PHY链路检测，然后打印了设置的网络地址信息，然后是执行ARP请求以及请求结果，如下图所示：
总结
文讲解了如何在 W55MH32 芯片上通过 MACRAW 模式实现 ARP 协议，将 IP 地址解析为 MAC 地址，通过实战例程展示了从发送 ARP 请求到接收并处理响应的完整过程。文章详细介绍了 MACRAW 模式和 ARP 协议的概念、特点、工作流程、应用场景、安全风险及防护措施和报文格式，帮助读者理解其在局域网通信中的实际应用价值。
下一篇文章将讲解如何使用W55MH32作为FTP Server模式，敬请期待！
