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Linux操作系统内核ARP的设计实现概述

ARP (Address Resolution Protocol) 是用来把IP地址转化成机器的网卡物理地址(硬件地址)。当一台机器要向另外一台物理上相连的机器发送IP包的时候,它要先检查一下自己的ARP缓存,试图找到对方的硬件地址,如果找不到的话,把要发送的IP包放入等待队列中,接着发出一个ARP请求。等到收到ARP应答的时候,构造好原来正在等待的IP包的ethernet头部(目的硬件地址,源硬件地址),再把这个IP包发送出去。
Linux的ARP实现相当复杂,部分原因是Linux不止要支持ethernet,还要支持其它类型的网络,另外一部分原因是ARP的实现实际上是和路由处理(routing)相关,所以理解起来不太容易。
首先我要讲一下ARP函数的调用过程:
(1) 当系统初始化时,调用arp_init来初始化ARP缓存(arp_tbl),并且注册ARP协议的接收函数。
(2) 当网卡驱动程序收到一个网络包(packet)的时候,会分配一个sk_buff(skb),把数据拷贝进这个缓冲区,然后调用netif_rx把skb放入等待队列(input_pkt_queue)中,并且产生一个软中断。当系统处理这个软中断的时候,会调用net_rx_action,它根据网络包的类型,调用相应的接收函数来处理。如果是ARP包,则调用arp_rcv。
(3)arp_rcv判断这个arp请求是不是询问本机或者本机代理的硬件地址,如果是的话,调用arp_send发回arp应答。另外arp_rcv还尽量保留对方机器的mac addres。
(4) arp_send分配一个sk_buff(skb),填好arp包的类型,源硬件地址,源IP地址,目的硬件地址,目的IP地址,然后调用dev_queue_xmit这个arp包发送出去。
其次,描述一下ARP主要的数据结构:
(1) neigh_table
neigh_table是一个用来描述物理上互相连接的机器的信息的哈希表,ARP缓存arp_tbl 就是这样的一个neigh_table。系统中所有的neigh_table都连在一起。下面是一些主要的域:+ struct neighbour *hash_buckets[NEIGH_HASHMASK+1]; hash_buckets存放着所有邻居(物理上相连的机器)的信息,共有32个bucket,每一个bucket存放着一条neighbor链表。
+ struct pneigh_entry *phash_buckets[PNEIGH_HASHMASK+1];phash_buckets存放着所有proxy arp的entry,每一个entry由网卡设备和ip地址组成,指明由哪个网卡设备代理哪个ip的mac地址。共有16个bucket.+ int family;
网络类型,为AF_INET
int entry_size; 大小为sizeof(struct neighbour) + 4
int key_len; 键的长度,为4
+ __u32 (*hash)(const void *pkey, const struct net_device *);
int (*constr


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