LWIP协议栈实现ARP协议

1) 核心数据结构与状态机（对应图片：etharp_entry 与 etharp_q_entry）

• 代码：struct etharp_entry
  • 字段说明：
    • q：挂载的等待发送的 pbuf（或队列，取决于 ARP_QUEUEING）
    • ipaddr / ethaddr / netif：映射关系与所属接口
    • ctime：条目年龄（以秒计；由 etharp_tmr 每秒自增）
    • state：ETHARP_STATE_（EMPTY、PENDING、STABLE、REREQUESTING_、STATIC）
• 行为：
  • PENDING：已发送 ARP 请求，等待应答。可以挂载 1 个或多个待发包（取决 ARP_QUEUEING）。
  • STABLE：已解析到 MAC，可直接发送；ctime 达到 ARP_MAXAGE 则过期。
    
    上图是arp_entry结构体和etharp_q_entry结构体。
    
    下图是每个arp结构的state状态机。

2) 条目查找与回收策略（对应代码：etharp_find_entry）

• 功能：一次扫描实现查找/选择回收项/创建新项的逻辑（提高效率，避免多遍扫描）。
• 回收优先级（若无空槽并且允许回收 ETHARP_FLAG_TRY_HARD）：
  1. 最久的 stable（不含 static）
  2. 最久的 pending（无队列）
  3. 最久的 pending（有队列）
• 图片提示： ARP_QUEUEING 宏和默认值（通常关闭），说明队列功能默认不开启以节省内存与复杂度。
• 修改建议：若设备需要短时间内缓存多个待发包（例如启动爆发流量），开启 ARP_QUEUEING 并适当设置 ARP_QUEUE_LEN；但要增加 MEMP_ARP_QUEUE 池。

3) 更新缓存（对应代码：etharp_update_arp_entry，etharp_input）

• etharp_input 收到 ARP 包（request/reply）时：
  • 先通过 etharp_update_arp_entry 更新/插入缓存（若为请求且目标为本机，会触发 reply）。
  • 对于 reply：只是更新条目（并会把挂起队列的数据发出）。
• 若条目由 PENDING -> STABLE：会弹出队列，调用 ethernet_output 发送并 pbuf_free。
• 图片（Wireshark trace）说明：当内核重试 TCP 但 ARP 未解析时会出现大量重传；抓包显示 ARP 请求/应答后 TCP 连接恢复，说明 ARP 解析是许多上层超时/重传的根源。
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4) 发包路径与决策（对应代码：etharp_output / etharp_query / etharp_output_to_arp_index）

• 发送单播 IP 包：

  • 先检查广播/多播，直接选择目标 MAC。
  • 否则在 ARP 表查找稳定条目（快速 path）；若找到，直接 etharp_output_to_arp_index -> ethernet_output。
  • 若没找到，调用 etharp_query：创建/标记 pending、发送 ARP request，并把 pbuf 挂到表项（或复制/引用，见下）。

• 关于 pbuf 挂载策略（关键点）：

  • 如果 q 的 pbuf 类型会被上层修改（PBUF_NEEDS_COPY），则必须复制为 PBUF_RAM（pbuf_clone），保证队列中的数据不被上层改写。
  • 默认行为（无队列）会只保存一份 pbuf（覆盖旧的）。

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5) 请求/重发/老化策略（对应代码常量与 etharp_tmr）

• ARP_MAXPENDING（默认 5 秒）控制 pending 条目失效时间。若未收到回复，ethtarp_tmr 会在到期后释放条目。
• ARP_MAXAGE（默认通常 5 分钟），在接近过期时会做 re-request：
  • ARP_AGE_REREQUEST_USED_UNICAST = ARP_MAXAGE - 30（15/30s 的差异用于广播/单播策略，见源码）
• etharp_tmr 实现：每秒自增 ctime，达到阈值会 etharp_request（对于 pending）或 etharp_free_entry（过期）。
  

6) ARP 请求构造与发送（etharp_request / etharp_raw）

• etharp_raw 负责构造 ARP 报文（填 arp header、sender/target 地址）并调用 ethernet_output 发送（PBUF_LINK + PBUF_RAM）。
• 如果使用 AUTOIP（link-local），对特殊源 IP 必须用广播发送（RFC 要求）。
• 图片（ARP 帧格式图）对照：头部字段顺序、各字段长度（hw type、proto type、hwlen、protolen、opcode、sender hw/ip、target hw/ip）。
  

7) queue 与内存（ARP 队列与 pbuf 类型）

• 如果挂载队列，必须考虑内存池（MEMP_ARP_QUEUE）与 pbuf 池（PBUF_RAM 当需要复制时）。
• PBUF_NEEDS_COPY 宏会检测 pbuf 类型是否安全入队（PBUF_REF/PBUF_ROM 等不可直接入队）。
• 若内存不足（无法为队列分配 memp 或无法复制 pbuf），会丢弃并返回 ERR_MEM，并统计 ETHARP memerr（见代码调用 ETHARP_STATS_INC）。

8) 性能与问题排查建议

• 常见问题：ARP 导致上层 TCP 超时/重传（见 Wireshark），最终原因往往是：
  • ARP 请求未发出（驱动问题 / ethernet_output 未调用）
  • ARP 请求发送但未到达对端（VLAN/交换机/子网配置错误）
  • 驱动或 DMA 未把 RX 帧传递给 lwIP（ethernetif_input 未上送 pbuf）
  • ARP 表条目被过快回收（ARP_MAXAGE 设置过小）
• 排查清单：
  • 抓包看是否存在 ARP 请求/应答（Wireshark）。若有应答但内核仍在重传，说明内核未把应答更新到表（检查 etharp_input 是否被调用及 netif 关联）。
  • 开启 LWIP_DEBUG/ETHARP_DEBUG 与统计（etharp.xmit / eth arp.recv / eth arp.memerr）观察。
  • 检查 MEMP_ARP_QUEUE 与 PBUF_POOL 是否不足（pbuf_alloc 失败会导致丢包）。
• 优化建议：
  • 在高并发或 burst 场景启用 ARP_QUEUEING 与合理 ARP_QUEUE_LEN，并增大 MEMP_ARP_QUEUE 数量。
  • 若系统多接口 / 路由复杂，配置 ETHARP_TABLE_MATCH_NETIF 与 LWIP_HOOK_ETHARP_GET_GW 来控制回路与网关选择。
  • 对延迟敏感的应用可以适度增大 ARP_MAXAGE，或对关键目标预填 ARP（etharp_add_static_entry）。
    正常arp表如下。