單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信ARP協(xié)議的設(shè)計(jì)

楊金石+李冬花+肖繁

摘 要：采用TCP/IP網(wǎng)能夠滿足大部分單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互需求，單片機(jī)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)傳輸，需要首先對(duì)ARP協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，本文根據(jù)ARP協(xié)議的基本工作過程，給出了在單片機(jī)系統(tǒng)中ARP請(qǐng)求和ARP應(yīng)答程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；TCP/IP；ARP

1 引言

單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，在很多領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展和普及的基本下，各單片機(jī)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的需求在不斷增加，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)間通信能夠較好的滿足絕大部分單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互需求。

要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，需要在單片機(jī)系統(tǒng)中對(duì)TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括ARP、IP、ICMP、TCP、UDP等。其中ARP協(xié)議是其他協(xié)議通信的基礎(chǔ)，也是高層數(shù)據(jù)包成功發(fā)送的前提。

2 ARP協(xié)議簡(jiǎn)介

ARP（Address Resolution Protocl），中文名字為地址解析協(xié)議，其主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)主機(jī)IP地址到MAC地址的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。ARP協(xié)議數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信過程中，ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP地址到MAC地址轉(zhuǎn)換的基本過程包括以下四個(gè)步驟：

（一）查詢ARP緩存

當(dāng)系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送IP數(shù)據(jù)包時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)層完成IP包封裝后，該IP包將交給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝，而要完成數(shù)據(jù)幀的封裝，必須要有目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，此時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)查詢本地的ARP緩存（在某些單片機(jī)系統(tǒng)中，可能并沒有設(shè)置ARP緩存，此時(shí)系統(tǒng)將不會(huì)進(jìn)行該步驟。），如果本次通信遠(yuǎn)端主機(jī)的MAC地址在本地緩存在存在，即可直接利用該地址完成數(shù)據(jù)幀的封裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)IP包的傳輸。

（二）ARP請(qǐng)求

當(dāng)系統(tǒng)中沒有設(shè)置ARP緩存或者緩存中沒有所需主機(jī)的MAC地址，那么，系統(tǒng)將利用ARP協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)將ARP協(xié)議數(shù)據(jù)包的“操作”字段設(shè)置為“1”，表示ARP請(qǐng)求，并且將自己的MAC和IP地址分別寫入?yún)f(xié)議數(shù)據(jù)的“源物理地址”和“源協(xié)議地址”字段中，以廣播的方式將該請(qǐng)求發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。

（三）ARP應(yīng)答

如果目標(biāo)主機(jī)存在，將收到源主機(jī)發(fā)送的ARP請(qǐng)求包，拆包分析后，將對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答，應(yīng)答信息中即包含目標(biāo)主機(jī)的IP地址和MAC地址。

（四）獲得目標(biāo)MAC地址

源主機(jī)收到ARP應(yīng)答信息后，就可以從該應(yīng)答信息中獲得目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，進(jìn)而能夠完成需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的封裝；同時(shí)，如果設(shè)置有ARP緩存，系統(tǒng)還會(huì)將該地址信息存入ARP緩存中，以備下次使用。

3 單片機(jī)ARP協(xié)議設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要分別對(duì)ARP請(qǐng)求和ARP應(yīng)答進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（一）ARP請(qǐng)求程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)ARP請(qǐng)求程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示，按照該流程，分別設(shè)計(jì)編寫各主要功能函數(shù)。

1、ARP緩存查詢函數(shù)

函數(shù)聲明為：Unsigned char ScanARPCache（unsigned char * ipAdd）；

調(diào)用該函數(shù)后，程序?qū)?duì)ARP緩存進(jìn)行查詢，如果有所需查詢項(xiàng)，返回值為“1”，如果未找到所需查詢項(xiàng)，返回值為“0”系統(tǒng)可以通過該返回值來(lái)判斷本地ARP緩存中是否有所需查詢項(xiàng)。

2、ARP請(qǐng)求發(fā)送函數(shù)

函數(shù)聲明為：voidSendARPRequest（void）；

該函數(shù)不需要參數(shù)，也沒有返回值，該函數(shù)只是將預(yù)先設(shè)計(jì)好的本機(jī)ARP請(qǐng)求包通過以太網(wǎng)廣播出去，并啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)中斷程序，以避免由于ARP請(qǐng)求異常而導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖情況的發(fā)生。

3、ARP應(yīng)答處理函數(shù)

函數(shù)聲明為：unsigned char ARPAnswerDispose（void）；

系統(tǒng)在收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來(lái)ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)后，將調(diào)用該函數(shù)從ARP應(yīng)答包中獲得目標(biāo)主機(jī)的地址信息，存入本地ARP緩存表，并進(jìn)一步利用獲得的地址完成所需發(fā)送數(shù)據(jù)以太網(wǎng)幀的封裝；該函數(shù)還需要將關(guān)閉發(fā)送ARP請(qǐng)求時(shí)所打開的定時(shí)中斷。

4、錯(cuò)誤報(bào)告函數(shù)

函數(shù)聲明為：voidErrorReport（unsigned char * ipAdd）；

系統(tǒng)發(fā)送ARP請(qǐng)求后，如何在定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)還未收到ARP應(yīng)答，定時(shí)中斷函數(shù)將調(diào)用錯(cuò)誤報(bào)告函數(shù)，該函數(shù)將向遠(yuǎn)程服務(wù)器報(bào)告當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并關(guān)閉定時(shí)中斷函數(shù)。

（二）ARP應(yīng)答程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)ARP應(yīng)答過程相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，程序流程如圖3所示，按照該流程，分別設(shè)計(jì)編寫各主要功能函數(shù)。

1、地址信息處理函數(shù)

函數(shù)聲明為：unsigned char ARPAddDispose（void）；

系統(tǒng)在收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來(lái)ARP請(qǐng)求后，將調(diào)用該函數(shù)從ARP請(qǐng)求包中獲得源主機(jī)的地址信息，存入本地ARP緩存表，以備需要時(shí)使用。此外，該函數(shù)還將對(duì)請(qǐng)求包中的目標(biāo)地址進(jìn)行分析，如果所請(qǐng)求的目標(biāo)地址為本機(jī)地址，函數(shù)返回值為“1”，反之，返回值為“0”。

2、ARP應(yīng)答發(fā)送函數(shù)

函數(shù)什么為：voidSendARPAnswer（void）；

當(dāng)調(diào)用ARPAddDispose（）后，得到返回值為“1”時(shí)，說明此事網(wǎng)絡(luò)中有主機(jī)正在對(duì)本機(jī)發(fā)出ARP請(qǐng)求，需要對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答。應(yīng)答函數(shù)需要將本機(jī)地址信息填入收到的請(qǐng)求包中的目標(biāo)地址信息字段并廣播到網(wǎng)絡(luò)中即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

在某些情況下，單片機(jī)系統(tǒng)與之通信的遠(yuǎn)程主機(jī)相對(duì)固定，因此可以對(duì)ARP請(qǐng)求程序進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如將可能發(fā)生通信的遠(yuǎn)程主機(jī)地址預(yù)先寫入程序代碼或者Flash中，從而省去相對(duì)復(fù)雜的ARP請(qǐng)求過程，通過這種設(shè)計(jì)方式以減小單片機(jī)系統(tǒng)用于網(wǎng)絡(luò)通信的資源開銷。總之，ARP協(xié)議是實(shí)現(xiàn)IP通信的基礎(chǔ)，在對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體應(yīng)用需求和單片機(jī)系統(tǒng)開銷等實(shí)際情況靈活進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介

楊金石（1981-），男，漢族，江西人，研究生，講師。