lwip---（七）ARP表查询

ARP攻击，是针对以太网地址解析协议（ARP）的一种攻击技术。在局域网中，ARP病毒收到广播的ARP 请求包，能够解析出其它节点的 (IP, MAC) 地址, 然后病毒伪装为目的主机，告诉源主机一个假MAC地址，这样就使得源主机发送给目的主机的所有数据包都被病毒软件截取，而源主机和目的主机却浑然不知。ARP攻击通过伪造IP地址和MAC地址实现ARP欺骗，能够在网络中产生大量的ARP通信量使网络阻塞，攻击者只要持续不断的发出伪造的ARP响应包就能更改目标主机ARP缓存中的IP-MAC条目。ARP协议在设计时未考虑网络安全方面的特性，这就注定了其很容易遭受ARP攻击。黑客只要在局域网内阅读送上门来的广播ARP请求数据包，就能偷听到网内所有的 (IP, MAC)地址。而源节点收到ARP 响应时，它也不会质疑，这样黑客很容易冒充他人。

这一节主要针对ARP讲解ARP表的创建，更新，查询等操作。这里我们先从几个简单的函数入手讲解ARP各个子模块功能，然后再将各个模块与上层协议结合起来，宏观的讲解ARP模块。

第一个需要迫不及待要说的函数是find_entry，该函数最重要的输入是一个IP地址，返回值是该IP地址对应的ARP缓存表项索引。函数声明原型如下，

static s8_t find_entry(struct ip_addr *ipaddr, u8_t flags)

这里，很有必要翻译一下源代码中注释的内容：该函数主要功能是寻找一个匹配的ARP表项或者创建一个新的ARP表项，并返回该表项的索引号。如果参数ipaddr为给定的非空的内容，则函数需要返回一个处于pending或stable的索引表项，如果没有匹配的表项，则该函数需要返回一个empty的表项，但该表项的IP字段的值要被设置为ipaddr的值，这种情况下，find_entry函数返回后，调用者需要将表项从状态empty改为pending。还有一种情况，如果参数ipaddr为空值，同样返回一个状态为empty的表项。

返回状态为empty的表项，首先从状态标示为empty的空闲ARP表项中选取，如果这样的表项都用完了，同时参数flags的值被设置为ETHARP_TRY_HARD，则find_entry就回收最老的ARP表项，将该表项设置为empty状态返回。

这个函数比较大，有将近200行代码，这里就不贴了，直接讲讲它的工作流程。

首先，lwip有一个比较巧妙的地方，它并不是冲上去就是就把ARP缓存中所有的表项搜索一遍，而是做了一个假设，假设这次的表项索引还是上一次的（在很多情况下就是这样的）。所以，LWIP中有个全局的变量etharp_cached_entry，它始终保存着上次用到的索引号，如果这个索引恰好就是我们要找的内容，且索引的表项已经处于stable状态，那就直接返回这个索引号就完成了！

如果情况不够理想，就必须去检索整个ARP表了，检索的过程是从ARP表的第一个表项开始，依次往后检索直至最后一个表项，过程较复杂。对于每个表项首先判断它是否为empty状态，find_entry只关心第一个状态为empty的表项索引值，对该索引值以后的empty表项不感兴趣，忽略。如果一个表项不是empty状态，则判断它是不是pending状态。对于pending状态的表项，需要做以下的事情，先看看它里面存的**IP地址和我们的ipaddr是否匹配**，如果匹配，好返回该索引值，记住还要更新etharp_cached_entry为该索引值，如果不匹配，则判断该索引的数据包指针是否为空，find_entry试图记录生存时间最长的pending状态有数据缓冲或无数据缓冲的表项索引。如果一个表项也不是pending状态，则判断它是不是stable状态。对于stable状态的表项，与pending状态的表项处理过程相似， find_entry试图记录生存时间最长的stable表项的索引。

如果到这里都还没有找到匹配的表项，那就很杯具了，我们需要为find_entry调用者返回一个empty的表项索引。经过上面一段后，find_entry已经知道了第一个empty状态表项的索引、生存时间最老的pending状态且有数据缓冲表项的索引、生存时间最老的pending状态且无数据缓冲表项的索引、生存时间最老的stable状态表项的索引，我们暂且先将这四个值假设为a、b、c、d。如果参数flags的值被设置为ETHARP_TRY_HARD，那么find_entry会按照a-->d-->c-->b的顺序选择一个合适的索引返回。find_entry首先判断a是否在ARP表项范围内，如果是，则选择a，如果不是，则判断b是否在ARP表项范围内，依此类推。当选中一个索引后，随即就会将该索引对应的表项设置为empty状态，并且将该表项的IP地址设置为ipaddr的值，ctime值设置为0，最后返回索引。至此，find_entry大功告成！

接下来的一个函数是etharp_query，该函数的功能是向给定的IP地址发送一个数据包或者发送一个ARP请求，当然情况远不如此简单。还是很有必要翻译一下源代码中函数功能注释的内容：如果给定的IP地址不在ARP表中，则一个新的ARP表项会被创建，此时该表项处于pending状态，同时一个关于该IP地址的ARP请求包会被广播出去，再同时要发送的数据包会被挂接在该表项的数据缓冲指针上；如果IP地址在ARP表中有相应的表项存在，但该表项处于pending状态，则操作与前者相同，即发送一个ARP请求和挂接数据包；如果IP地址在ARP表中有相应的表项存在，且表项处于stable状态，此时再来判断给定的数据包是否为空，不为空则直接将该数据包发送出去，为空则向该IP地址发送一个ARP请求。

etharp_query函数原型如下所示，源代码在150行左右，这里主要讲解其流程：

err_t etharp_query(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct pbuf *q)

(1) 首先判断给定的ipaddr是否合法，对于空IP地址、广播IP地址、多播IP地址不予处理。

(2) 将ipaddr作为参数调用函数find_entry，函数返回一个ARP表项索引，该表项可能是原来已经有的，此时该表项应该是pending或stable状态；该表项也可能是新申请得到的，此时该表项应该是empty状态。

(3) 根据返回的表项索引找到该ARP表项，判断该表项是否为empty状态，如果是，说明该表项是新申请的，则将该表项状态设置为pending状态。

(4) 判断要发送的数据包是否为空，或者判断ARP表项是否为pending状态，这两个条件只要有一个成立，就发送一个ARP请求出去，发送ARP请求的函数是etharp_request。

(5) 如果待发送的数据包不为空，此刻就根据ARP表项的状态作不同的处理：若ARP表项处于**stable状态**，则直接调用函数etharp_send_ip发送数据包；若ARP表项处于**pending状态**，则需要将该数据包挂接到表项的待发送数据链表上，由于pending状态的表项必然在第(4)步中发出了一个ARP请求，当内核接收到ARP回应时，会将表项设置为stable状态，并将其链表上的数据全部发送出去，当然这项工作具体是怎样完成的那是后话了。

将数据包挂接在表项的发送链表上，这又是一个较复杂的过程：最重要的一点是判断该数据包pbuf的类型，对于PBUF_REF、PBUF_POOL、PBUF_RAM型的数据包不能直接挂在发送链表上，因为这些数据包在被挂接后并不会被立刻发送出去，这可能导致数据包在等待发送的过程中内部数据被改动。对于以上这些类型的待发送数据包，需要将数据拷贝至新的pbuf中，然后将新的pbuf挂接至发送链表。至此，etharp_query函数功德圆满！

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