1. 实验目的
熟悉ARP数据包格式，掌握ARP映射表的建立与更新过程；
掌握ARP数据包的的发送和接收处理过程。
2. 实验任务
在完成协议栈之eth协议的基础上，编写ARP报文的接收、发送和请求报文函数，使其能够发送和接收ARP数据报文，并且能通过实验评测系统的测试。
3. 实验原理
3.1. ARP协议概要
在TCP/IP的网络构造和网络通信中无需事先知道MAC地址究竟是什么，只要确定了IP地址，就可向这个目标地址发送IP数据报了。然而，在数据链路层使用的是硬件地址（MAC）进行报文传输，IP地址不能被物理网络所识别，因此必须建立IP地址和MAC地址的映射关系，这一过程称为ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议。
ARP协议以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不在同一个链路上，可以通过ARP查找下一跳网关的MAC地址。注意，ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6。IPv6可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息。
3.2. ARP的工作机制
那么ARP又是如何知道MAC地址的呢？简单地说，ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的。此外，在每台使用ARP的主机中，都保留了一个专用的内存区（称为缓存），存放最近的IP地址与硬件地址的对应关系。一旦收到ARP应答，主机将获得的IP地址和硬件地址的对应关系存到缓存中。当发送报文时，首先去缓存中查找相应的项，如果找到相应项，便将报文直接发送出去；如果找不到，再利用ARP进行解析。ARP 缓存信息在一定时间内有效，过期不更新就会被删除。
3.2.1. 同一网段的ARP解析过程
如下图所示，主机A需要发报文给主机B，如果在缓存中找不到相应的记录，就必须先解析主机B的硬件地址。主机A首先在网段内通过广播发出ARP请求报文，由于广播的包可以被同一个链路上所有的主机或路由器接收，因此ARP的请求包也就会被这同一个链路上所有的主机和路由器进行解析。主机B收到后，判断报文的目的IP是本主机的IP地址，便将本主机的硬件地址写入应答报文，发送给主机A，主机A收到后将其存入缓存中，则解析成功，然后才将报文发往主机B。
3.2.2. 不同网段的ARP解析过程
如下图所示，主机A要发报文给主机C，首先主机A分析目的地址不在同一个网段，需要将报文先发给其默认网关，再由默认网关转发。如果没有找到默认网关的硬件地址，便发送ARP请求报文，请求默认网关的硬件地址，默认网关收到之后，将自己的硬件地址写入应答报文，发送给主机A。然后，主机A到主机C的报文首先被送到默认网关。默认网关再根据报文的目的IP地址进行转发，以此类推，直至报文送到主机C中。主机C到主机A的报文以相反的顺序发送。
注意
请思考，IP地址和MAC地址为什么缺一不可？
3.3. ARP协议报文格式
ARP是一个独立的三层协议，所以ARP报文在向数据链路层传输时不需要经过IP协议的封装，而是直接生成自己的报文，其中包括ARP报头，到数据链路层后再对应的数据链路层（如以太网协议）进行封装。ARP报文分为ARP请求和应答报文两种，报文格式如下图所示。
ARP报文每个字段的含义如下表所示：
硬件类型 ：占2字节，表示ARP报文可以在哪种类型的网络上传输，值为1时表示为以太网地址。
上层协议类型 ：占2字节，表示硬件地址要映射的协议地址类型，映射IP地址时的值为0x0800。
MAC地址长度 ： 占1字节，标识MAC地址长度，以字节为单位，此处为6。
IP协议地址长度 ： 占1字节，标识IP地址长度，以字节为单位，此处为4。
操作类型 ： 占2字节，指定本次ARP报文类型。1标识ARP请求报文，2标识ARP应答报文。
源MAC地址 ： 占6字节，标识发送设备的硬件地址。
源IP地址 ： 占4字节，标识发送方设备的IP地址。
目的MAC地址 ： 占6字节，表示接收方设备的硬件地址，在请求报文中该字段值全为0，即00-00-00-00-00-00，表示任意地址，因为现在不知道这个MAC地址。
目的IP地址 ： 占4字节，表示接受方的IP地址。
3.4. ARP表
无论是主机，还是交换机或路由器都会有一个用来缓存同一网段设备IP地址和MAC地址的ARP映射表，用于数据帧的转发。设备通过ARP解析到目的MAC之后，将会在自己的ARP映射表中增加IP地址到MAC地址的映射表，以用于后续到同一目的地数据帧的转发。ARP表项分为动态ARP表项和静态ARP表项。在实验中，我们需要实现 动态ARP表项 。
动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的ARP报文更新，也可以被静态ARP表项所覆盖。当到达老化时间或接口关闭时会删除相应的动态ARP表项。
在本实验中，我们提供了支持超时时间的map键值对容器框架，以减轻同学们的部分工作量：）。在用于获取map中指定键的值map_set()函数中，调用map_entry_valid()函数判断该键值对是否有效，而判断的标准里就有是否超时判断。
1 /**
2 * @brief 内部函数，判断键值对是否有效
3 *
4 * @param map 要判断的map
5 * @param entry 键值对指针
6 * @return int 1为合法，0为不合法
7 */
8 int map_entry_valid(map_t *map, const void *entry)
9 {
10 time_t entry_time = *(time_t *)((uint8_t *)entry + map->key_len + map->value_len);
11 return entry_time && (!map->timeout || entry_time + map->timeout >= time(NULL));
12 }
13
14 /**
15 * @brief 获取map中指定键的值
16 *
17 * @param map 要获取的map
18 * @param key 键指针
19 * @return void* 值指针，找不到为NULL
20 */
21 void *map_get(map_t *map, const void *key)
22 {
23 if (key == NULL)
24 return NULL;
25 for (size_t i = 0; i < map->max_size; i++)
26 {
27 uint8_t *entry = map_entry_get(map, i);
28 if (map_entry_valid(map, entry) && !memcmp(key, entry, map->key_len))
29 return entry + map->key_len;
30 }
31 return NULL;
32 }
4. 代码实现与检测
请同学们认真阅读本实验提供的代码框架，并补充完整 src/arp.c 文件中的arp_req()函数、arp_out()函数、arp_in()函数和arp_resp()函数。
4.1. ARP初始化
arp_init()函数实现ARP初始化功能，初始化流程如下：
1 ：调用map_init()函数，初始化用于存储IP地址和MAC地址的ARP表arp_table，并设置超时时间为ARP_TIMEOUT_SEC。
2 ：调用map_init()函数，初始化用于缓存来自IP层的数据包，并设置超时时间为ARP_MIN_INTERVAL。
3 ：调用net_add_protocol()函数，增加key：NET_PROTOCOL_ARP和vaule：arp_in的键值对。
4 ：在初始化阶段（系统启用网卡）时，要向网络上发送无回报ARP包（ARP announcemennt），即广播包，告诉所有人自己的IP地址和MAC地址。在实验代码中，调用arp_req()函数来发送一个无回报ARP包。
提示
无回报ARP包（ARP announcement） ：用于昭示天下（LAN）本机要使用某个IP地址了，是一个Sender IP和Traget IP填充的都是本机IP地址的ARP request。
同学们需要自行实现arp_req()函数，功能如下：
Step1 ：调用buf_init()对txbuf进行初始化。
Step2 ：填写ARP报头。
Step3 ：ARP操作类型为ARP_REQUEST，注意大小端转换。
Step4 ：调用ethernet_out函数将ARP报文发送出去。注意：ARP announcement或ARP请求报文都是广播报文，其目标MAC地址应该是广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
ARP announcement报文格式可参考如下：
4.2. ARP发送处理过程
同学们需要自行实现arp_out()函数，功能如下：
Step1 ：调用map_get()函数，根据IP地址来查找ARP表(arp_table)。
Step2 ：如果能找到该IP地址对应的MAC地址，则将数据包直接发送给以太网层，即调用ethernet_out函数直接发出去。
Step3 ：如果没有找到对应的MAC地址，进一步判断arp_buf是否已经有包了，如果有，则说明正在等待该ip回应ARP请求，此时不能再发送arp请求；如果没有包，则调用map_set()函数将来自IP层的数据包缓存到arp_buf，然后，调用arp_req()函数，发一个请求目标IP地址对应的MAC地址的ARP request报文。
注意
扩展功能：由于map数据结构的限制，相同ip的arp_buf长度仍为1，同学们可以自行设计数据结构实现不丢包。
4.3. ARP接收处理过程
同学们需要自行实现arp_in()函数，功能如下：
Step1 ：首先判断数据长度，如果数据长度小于ARP头部长度，则认为数据包不完整，丢弃不处理。
Step2 ：接着，做报头检查，查看报文是否完整，检测内容包括：ARP报头的硬件类型、上层协议类型、MAC硬件地址长度、IP协议地址长度、操作类型，检测该报头是否符合协议规定。
Step3 ：调用map_set()函数更新ARP表项。
Step4 ：调用map_get()函数查看该接收报文的IP地址是否有对应的arp_buf缓存。
如果有，则说明ARP分组队列里面有待发送的数据包。也就是上一次调用arp_out()函数发送来自IP层的数据包时，由于没有找到对应的MAC地址进而先发送的ARP request报文，此时收到了该request的应答报文。然后，将缓存的数据包arp_buf再发送给以太网层，即调用ethernet_out()函数直接发出去，接着调用map_delete()函数将这个缓存的数据包删除掉。
如果该接收报文的IP地址没有对应的arp_buf缓存，还需要判断接收到的报文是否为ARP_REQUEST请求报文，并且该请求报文的target_ip是本机的IP，则认为是请求本主机MAC地址的ARP请求报文，则调用arp_resp()函数回应一个响应报文。
4.4. ARP响应包
同学们需要自行实现arp_resp()，功能如下：
Step1 ：首先调用buf_init()来初始化txbuf。
Step2 ：接着，填写ARP报头首部。
Step3 ：调用ethernet_out()函数将填充好的ARP报文发送出去。
4.5. 实验自测
ARP自测与eth自测的步骤类似。
点击CMake工具栏，找到arp_test[arp_test.exe]，右键，选择“生成”进行编译。
接着，打开VSCode的终端，到build目录下，输入ctest -R arp_test进行自测。
ARP协议自测，处理正确的结果显示如下图：
如果提示有错，请参照eth协议自测的排除方法来找bug。
备注
如果提示.pcap文件不一致，可以用wireshark软件打开查看.pcap文件。wireshark用法可参考 附录 A：Wireshark 入门 。
4.5.1. GDB调试
本实验支持使用GDB调试，请参考 Windows开发环境搭建 中的“Windows下编译和调试”
5. 实验提交
请参考实验二的提交方式。