单片机网络通信ARP协议的设计
杨金石+李冬花+肖繁
摘 要：采用TCP/IP网能够满足大部分单片机系统数据交互需求，单片机系统要实现IP数据传输，需要首先对ARP协议进行设计实现，本文根据ARP协议的基本工作过程，给出了在单片机系统中ARP请求和ARP应答程序的设计和实现方法。
关键词：单片机；TCP/IP；ARP
1 引言
单片机作为微型计算机的一个重要分支，在很多领域都得到了非常广泛的应用。在物联网不断发展和普及的基本下，各单片机系统间数据交互的需求在不断增加，在现有的技术条件下，采用TCP/IP网络实现单片机系统间通信能够较好的满足绝大部分单片机系统数据交互需求。
要实现单片机系统TCP/IP网络通信，需要在单片机系统中对TCP/IP协议系统中的几个关键协议进行设计，包括ARP、IP、ICMP、TCP、UDP等。其中ARP协议是其他协议通信的基础，也是高层数据包成功发送的前提。
2 ARP协议简介
ARP（Address Resolution Protocl），中文名字为地址解析协议，其主要功能是实现网络中目标主机IP地址到MAC地址的自动转换。ARP协议数据格式如图1所示。
在实际的网络通信过程中，ARP协议实现IP地址到MAC地址转换的基本过程包括以下四个步骤：
（一）查询ARP缓存
当系统需要通过网络向远程节点发送IP数据包时，在网络层完成IP包封装后，该IP包将交给数据链路层进行数据帧的封装，而要完成数据帧的封装，必须要有目标主机的MAC地址，此时，系统首先会查询本地的ARP缓存（在某些单片机系统中，可能并没有设置ARP缓存，此时系统将不会进行该步骤。），如果本次通信远端主机的MAC地址在本地缓存在存在，即可直接利用该地址完成数据帧的封装，进而实现IP包的传输。
（二）ARP请求
当系统中没有设置ARP缓存或者缓存中没有所需主机的MAC地址，那么，系统将利用ARP协议向网络发出ARP请求数据包。系统将ARP协议数据包的“操作”字段设置为“1”，表示ARP请求，并且将自己的MAC和IP地址分别写入协议数据的“源物理地址”和“源协议地址”字段中，以广播的方式将该请求发送到网络中。
（三）ARP应答
如果目标主机存在，将收到源主机发送的ARP请求包，拆包分析后，将对该请求进行应答，应答信息中即包含目标主机的IP地址和MAC地址。
（四）获得目标MAC地址
源主机收到ARP应答信息后，就可以从该应答信息中获得目标主机的MAC地址，进而能够完成需要发送的数据帧的封装；同时，如果设置有ARP缓存，系统还会将该地址信息存入ARP缓存中，以备下次使用。
3 单片机ARP协议设计
在单片机控制系统中对ARP协议实现时，需要分别对ARP请求和ARP应答进行设计。
（一）ARP请求程序设计
单片机系统ARP请求程序设计流程如图2所示，按照该流程，分别设计编写各主要功能函数。
1、ARP缓存查询函数
函数声明为：Unsigned char ScanARPCache（unsigned char * ipAdd）；
调用该函数后，程序将对ARP缓存进行查询，如果有所需查询项，返回值为“1”，如果未找到所需查询项，返回值为“0”系统可以通过该返回值来判断本地ARP缓存中是否有所需查询项。
2、ARP请求发送函数
函数声明为：voidSendARPRequest（void）；
该函数不需要参数，也没有返回值，该函数只是将预先设计好的本机ARP请求包通过以太网广播出去，并启动单片机的定时中断程序，以避免由于ARP请求异常而导致系统死锁情况的发生。
3、ARP应答处理函数
函数声明为：unsigned char ARPAnswerDispose（void）；
系统在收到网络发送过来ARP应答数据后，将调用该函数从ARP应答包中获得目标主机的地址信息，存入本地ARP缓存表，并进一步利用获得的地址完成所需发送数据以太网帧的封装；该函数还需要将关闭发送ARP请求时所打开的定时中断。
4、错误报告函数
函数声明为：voidErrorReport（unsigned char * ipAdd）；
系统发送ARP请求后，如何在定时中断到来时还未收到ARP应答，定时中断函数将调用错误报告函数，该函数将向远程服务器报告当前网络状态信息，并关闭定时中断函数。
（二）ARP应答程序设计
单片机系统ARP应答过程相对要简单一些，程序流程如图3所示，按照该流程，分别设计编写各主要功能函数。
1、地址信息处理函数
函数声明为：unsigned char ARPAddDispose（void）；
系统在收到网络发送过来ARP请求后，将调用该函数从ARP请求包中获得源主机的地址信息，存入本地ARP缓存表，以备需要时使用。此外，该函数还将对请求包中的目标地址进行分析，如果所请求的目标地址为本机地址，函数返回值为“1”，反之，返回值为“0”。
2、ARP应答发送函数
函数什么为：voidSendARPAnswer（void）；
当调用ARPAddDispose（）后，得到返回值为“1”时，说明此事网络中有主机正在对本机发出ARP请求，需要对该请求进行应答。应答函数需要将本机地址信息填入收到的请求包中的目标地址信息字段并广播到网络中即可。
4 结束语
在某些情况下，单片机系统与之通信的远程主机相对固定，因此可以对ARP请求程序进行简化，比如将可能发生通信的远程主机地址预先写入程序代码或者Flash中，从而省去相对复杂的ARP请求过程，通过这种设计方式以减小单片机系统用于网络通信的资源开销。总之，ARP协议是实现IP通信的基础，在对单片机系统进行ARP协议实现时，应当根据具体应用需求和单片机系统开销等实际情况灵活进行程序设计，以确保系统稳定可靠运行。
参考文献
[1]周晓峰，杨世锡，华亮.单片机上简单TCP/IP协议的实现[J].微电子学与计算机，2004（2）：66-69.
[2]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]邓谦，董玉华，李春杰.基于以太网的智能家居终端设计[J].四川工兵学报，2010（8）：93-96.
作者简介
杨金石（1981-），男，汉族，江西人，研究生，讲师。
摘 要：采用TCP/IP网能够满足大部分单片机系统数据交互需求，单片机系统要实现IP数据传输，需要首先对ARP协议进行设计实现，本文根据ARP协议的基本工作过程，给出了在单片机系统中ARP请求和ARP应答程序的设计和实现方法。
关键词：单片机；TCP/IP；ARP
1 引言
单片机作为微型计算机的一个重要分支，在很多领域都得到了非常广泛的应用。在物联网不断发展和普及的基本下，各单片机系统间数据交互的需求在不断增加，在现有的技术条件下，采用TCP/IP网络实现单片机系统间通信能够较好的满足绝大部分单片机系统数据交互需求。
要实现单片机系统TCP/IP网络通信，需要在单片机系统中对TCP/IP协议系统中的几个关键协议进行设计，包括ARP、IP、ICMP、TCP、UDP等。其中ARP协议是其他协议通信的基础，也是高层数据包成功发送的前提。
2 ARP协议简介
ARP（Address Resolution Protocl），中文名字为地址解析协议，其主要功能是实现网络中目标主机IP地址到MAC地址的自动转换。ARP协议数据格式如图1所示。
在实际的网络通信过程中，ARP协议实现IP地址到MAC地址转换的基本过程包括以下四个步骤：
（一）查询ARP缓存
当系统需要通过网络向远程节点发送IP数据包时，在网络层完成IP包封装后，该IP包将交给数据链路层进行数据帧的封装，而要完成数据帧的封装，必须要有目标主机的MAC地址，此时，系统首先会查询本地的ARP缓存（在某些单片机系统中，可能并没有设置ARP缓存，此时系统将不会进行该步骤。），如果本次通信远端主机的MAC地址在本地缓存在存在，即可直接利用该地址完成数据帧的封装，进而实现IP包的传输。
（二）ARP请求
当系统中没有设置ARP缓存或者缓存中没有所需主机的MAC地址，那么，系统将利用ARP协议向网络发出ARP请求数据包。系统将ARP协议数据包的“操作”字段设置为“1”，表示ARP请求，并且将自己的MAC和IP地址分别写入协议数据的“源物理地址”和“源协议地址”字段中，以广播的方式将该请求发送到网络中。
（三）ARP应答
如果目标主机存在，将收到源主机发送的ARP请求包，拆包分析后，将对该请求进行应答，应答信息中即包含目标主机的IP地址和MAC地址。
（四）获得目标MAC地址
源主机收到ARP应答信息后，就可以从该应答信息中获得目标主机的MAC地址，进而能够完成需要发送的数据帧的封装；同时，如果设置有ARP缓存，系统还会将该地址信息存入ARP缓存中，以备下次使用。
3 单片机ARP协议设计
在单片机控制系统中对ARP协议实现时，需要分别对ARP请求和ARP应答进行设计。
（一）ARP请求程序设计
单片机系统ARP请求程序设计流程如图2所示，按照该流程，分别设计编写各主要功能函数。
1、ARP缓存查询函数
函数声明为：Unsigned char ScanARPCache（unsigned char * ipAdd）；
调用该函数后，程序将对ARP缓存进行查询，如果有所需查询项，返回值为“1”，如果未找到所需查询项，返回值为“0”系统可以通过该返回值来判断本地ARP缓存中是否有所需查询项。
2、ARP请求发送函数
函数声明为：voidSendARPRequest（void）；
该函数不需要参数，也没有返回值，该函数只是将预先设计好的本机ARP请求包通过以太网广播出去，并启动单片机的定时中断程序，以避免由于ARP请求异常而导致系统死锁情况的发生。
3、ARP应答处理函数
函数声明为：unsigned char ARPAnswerDispose（void）；
系统在收到网络发送过来ARP应答数据后，将调用该函数从ARP应答包中获得目标主机的地址信息，存入本地ARP缓存表，并进一步利用获得的地址完成所需发送数据以太网帧的封装；该函数还需要将关闭发送ARP请求时所打开的定时中断。
4、错误报告函数
函数声明为：voidErrorReport（unsigned char * ipAdd）；
系统发送ARP请求后，如何在定时中断到来时还未收到ARP应答，定时中断函数将调用错误报告函数，该函数将向远程服务器报告当前网络状态信息，并关闭定时中断函数。
（二）ARP应答程序设计
单片机系统ARP应答过程相对要简单一些，程序流程如图3所示，按照该流程，分别设计编写各主要功能函数。
1、地址信息处理函数
函数声明为：unsigned char ARPAddDispose（void）；
系统在收到网络发送过来ARP请求后，将调用该函数从ARP请求包中获得源主机的地址信息，存入本地ARP缓存表，以备需要时使用。此外，该函数还将对请求包中的目标地址进行分析，如果所请求的目标地址为本机地址，函数返回值为“1”，反之，返回值为“0”。
2、ARP应答发送函数
函数什么为：voidSendARPAnswer（void）；
当调用ARPAddDispose（）后，得到返回值为“1”时，说明此事网络中有主机正在对本机发出ARP请求，需要对该请求进行应答。应答函数需要将本机地址信息填入收到的请求包中的目标地址信息字段并广播到网络中即可。
4 结束语
在某些情况下，单片机系统与之通信的远程主机相对固定，因此可以对ARP请求程序进行简化，比如将可能发生通信的远程主机地址预先写入程序代码或者Flash中，从而省去相对复杂的ARP请求过程，通过这种设计方式以减小单片机系统用于网络通信的资源开销。总之，ARP协议是实现IP通信的基础，在对单片机系统进行ARP协议实现时，应当根据具体应用需求和单片机系统开销等实际情况灵活进行程序设计，以确保系统稳定可靠运行。
参考文献
[1]周晓峰，杨世锡，华亮.单片机上简单TCP/IP协议的实现[J].微电子学与计算机，2004（2）：66-69.
[2]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]邓谦，董玉华，李春杰.基于以太网的智能家居终端设计[J].四川工兵学报，2010（8）：93-96.
作者简介
杨金石（1981-），男，汉族，江西人，研究生，讲师。
