前言
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）的作用是，在 IPv4 网络中，将 IP 地址映射为物理 MAC 地址。
本文介绍：ARP 的作用、ARP 数据包的格式 、ARP 的通信流程。
ARP 的作用
路由简介
通过路由，我们可以拿到下一跳（next hop）的 IP 地址。
下一跳的定义： 当前设备把数据包发出去之后，第一个接收这个数据包的路由器或主机。
ARP 的作用是将 ”IP 地址“映射成 MAC 地址。这里的 ”IP 地址“，是指下一条的地址，而不是数据包中的 dest IP。
当然，ARP 本身并不关心，这个”IP 地址“ 是下一跳的地址，还是数据包的 dest ip。ARP 只是做 IP 到 MAC 的映射。
但是，如果我们不搞清楚，为什么，这个”IP 地址“ 是下一跳的地址（即路由过程），我们就没法真正理解 ARP 的作用。
详细的路由原理介绍，见网上的其他资料。本文使用一个简单的示例，介绍一个需要路由的数据包的 MAC。
这是我当前机器的情况。
- 内网机器有一个网卡 ens160，它的 IP 是 192.168.59.111。
- 这个机器的默认网关是 192.168.58.1 。当一个目标 IP 找不到路由时，走默认路由，从 ens160 发包，到 192.168.58.1。
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:78:ea:80 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
altname enp3s0
inet 192.168.59.111/23 brd 192.168.59.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
valid_lft 78739sec preferred_lft 78739sec
inet6 fe80::20c:29ff:fe78:ea80/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
root@localhost ~# ip route
default via 192.168.58.1 dev ens160 proto dhcp src 192.168.59.111 metric 100
192.168.58.0/23 dev ens160 proto kernel scope link src 192.168.59.111 metric 100 问题：从这台机器访问 www.baidu.com 时，这个网络数据包的 dest mac 是什么？是 baidu 机器的 mac，还是什么 mac ？
traceroute 可以显示数据包到达网络主机的路由路径。（关于这个工具的使用，可以见附录。）
我们试验下。
root@localhost ~ [SIGINT]# traceroute -4 www.baidu.com -n -N 1 -q 1 -p 33434
traceroute to www.baidu.com (220.181.111.1), 30 hops max, 60 byte packets
1 192.168.58.1 4.195 ms
2 192.168.101.21 4.937 ms
3 192.168.16.1 3.901 ms
4 114.64.231.113 4.953 ms
5 192.168.36.9 7.066 ms
6 192.168.155.37 9.014 ms
7 192.168.35.1 6.837 ms
8 *
9 36.110.255.61 9.856 ms^C⏎ 我们也抓下包。（这里，我们其实只想抓 traceroute这个进程的包。但是 tcpdump 不支持按照进程抓包。mozillazg/ptcpdump 这个工具，支持按照进程抓包。）
# icmp[0] 表示 ICMP 类型字段：
# 11 = Time Exceeded（中间路由器回复）
# 3 = Destination Unreachable（目标主机回复，需配合 code=3）
# traceroute 默认是udp协议，端口从33434 开始逐渐递增
# 下面可以抓traceroute 发送和回复的报文
tcpdump -i ens160 -vvv -nn '(udp and portrange 33434-65535) or icmp[0] = 11 or icmp[0] = 3' -w traceroute.pcapng从抓包结果，可以清晰看到，这个包的 MAC 为 48:73:97:96:38:22。
接着查询，可以看到，这个 MAC 就是默认网关(192.168.58.1)的 MAC。
root@localhost ~# ip neigh
192.168.58.177 dev ens160 lladdr 78:af:08:2b:5e:a8 REACHABLE
192.168.58.1 dev ens160 lladdr 48:73:97:96:38:22 REACHABLE
fe80::4a73:97ff:fe96:3822 dev ens160 lladdr 48:73:97:96:38:22 router STALE 所以，我们现在可以给出结论：ARP 用于将 IP 映射成 MAC。（这个 IP 是下一跳的 IP，而不是数据包的 dest IP。虽然 ARP 本身不关心，到底将哪个 IP 映射成对应的 MAC）
ARP 的作用
网络分层设计，每层都有很多种协议。物理线路上传递的是以太帧。
ARP 干的事情是，将 IPv4 转换成 MAC。NDP 是用来将 IPv6 转换成 MAC。
ARP 数据包的内容
抓个 ARP 的包瞅瞅。
# 清空arp缓存(邻居表)
ip neigh flush all
# 抓取 arp 数据包
tcpdump -vvv -i ens160 "arp" -w arp.pcapngARP 报文总体结构如下：
Ethernet transmission layer (not necessarily accessible to the user):
48.bit: Ethernet address of destination
48.bit: Ethernet address of sender
16.bit: Protocol type = ether_type$ADDRESS_RESOLUTION
Ethernet packet data:
16.bit: (ar$hrd) Hardware address space (e.g., Ethernet, Packet Radio Net.)
16.bit: (ar$pro) Protocol address space. For Ethernet hardware, this is from the set of type fields ether_typ$<protocol>.
8.bit: (ar$hln) byte length of each hardware address
8.bit: (ar$pln) byte length of each protocol address
16.bit: (ar$op) opcode (ares_op$REQUEST | ares_op$REPLY)
nbytes: (ar$sha) Hardware address of sender of this packet, n from the ar$hln field.
mbytes: (ar$spa) Protocol address of sender of this packet, m from the ar$pln field.
nbytes: (ar$tha) Hardware address of target of this packet (if known).
mbytes: (ar$tpa) Protocol address of target.请求报文
响应报文
ARP 的流程
数据包的生成
当数据包通过网络层向下传递时，路由机制确定下一跳的协议地址，以及期望通过哪块硬件发送数据包。
1. 底层查询地址解析模块
2. 地址解析模块尝试在本地映射表中查找 <协议类型, 目标协议地址> 对
3. 如果找到：
├─ 返回对应的 48 位以太网地址给调用者
└─ 硬件驱动使用该地址发送数据包
4. 如果未找到：
├─ 通知调用者丢弃当前数据包（假设上层会重传）
├─ 构造以太网数据包，类型字段设为 ether_type$ADDRESS_RESOLUTION
├─ 填充地址解析协议字段：
│ ├─ ar$hrd = ares_hrd$Ethernet
│ ├─ ar$pro = 待解析的协议类型
│ ├─ ar$hln = 6（48 位以太网地址的字节数）
│ ├─ ar$pln = 该协议地址的字节长度
│ ├─ ar$op = ares_op$REQUEST
│ ├─ ar$sha = 本机 48 位以太网地址
│ ├─ ar$spa = 本机协议地址
│ ├─ ar$tpa = 目标主机的协议地址
│ └─ ar$tha = 可设为空或硬件广播地址（全 1）
└─ 将该数据包广播到路由机制确定的以太网段上所有机器数据包的接受与处理流程
当接收到地址解析数据包时，接收方的以太网模块将其交给地址解析模块，执行如下算法。
1. ? 我支持 ar$hrd 指定的硬件类型吗？
├─ 否 → 丢弃数据包
└─ 是 → （几乎肯定）
├─ [可选] 检查硬件地址长度 ar$hln 是否合理
├─ ? 我支持 ar$pro 指定的协议吗？
│ ├─ 否 → 丢弃数据包
│ └─ 是 →
│ ├─ [可选] 检查协议地址长度 ar$pln 是否合理
│ ├─ Merge_flag := false
│ ├─ ? <协议类型, 发送方协议地址> 对是否已在转换表中？
│ │ ├─ 是 → 用数据包中的新硬件地址更新该表项，Merge_flag := true
│ │ └─ 否 → 继续
│ ├─ ? 我是目标协议地址吗？(ar$tpa == 本机协议地址)
│ │ ├─ 否 → 丢弃数据包
│ │ └─ 是 →
│ │ ├─ 如果 Merge_flag 为 false：
│ │ │ └─ 将三元组 <协议类型, 发送方协议地址, 发送方硬件地址> 加入转换表
│ │ ├─ ? 操作码是 ares_op$REQUEST 吗？（现在才检查操作码！）
│ │ │ ├─ 否 → 丢弃数据包（是响应包，无需处理）
│ │ │ └─ 是 →
│ │ │ ├─ 交换硬件地址和协议地址字段：
│ │ │ │ ├─ 将本机硬件/协议地址填入发送方字段
│ │ │ │ └─ 将请求包中的发送方地址填入目标字段
│ │ │ ├─ 设置 ar$op = ares_op$REPLY
│ │ │ └─ 将响应包单播发送到（新的）目标硬件地址
│ │ │ （在与接收请求相同的硬件接口上）这个算法的好处是，一次广播 REQUEST 可使所有站点更新该主机的新地址。
这个算法里面，先更新表，后检查操作码。这基于通信是双向的假设：如果 A 有理由与 B 通信，那么 B 很可能也有理由与 A 通信。
但是，从感觉上来说。先操作，操作完再更新表，代码会简洁些？（具体情况，可能得翻看下 Linux kernel 的 net/ipv4/arp.c 了。暂时，不想看。）
表项的老化
表项老化/超时机制的实现超出本协议范围。
必须要有老化机制的。
- 比如，A 机器和 B 机器以前通信过。A 中保存了 B 的 IP 到 MAC 的映射。
- 现在 B 机器坏了，更换成 B’了。现在是，IP 没变，但是 MAC 变了。假设之后，B 一直没有发送过消息。
- A 此时想给 B 发消息，如果没有老化机制，则 MAC 地址一直是旧的，导致 B 无法收到消息。
附录
traceroue 的简单使用
traceroute(8) – Linux manual page 用于追踪 IP 网络中数据包前往指定主机所经过的路由路径。该程序通过发送具有较小 TTL 值的探测包，并监听网关返回的 ICMP “time exceeded”（超时）回复，来尝试追踪 IP 数据包前往某个互联网主机的路径。具体流程如下：
- 初始探测包的 TTL 设为 1，然后逐次递增
- 当收到目标主机返回的 ICMP “port unreachable”（端口不可达）或 TCP RST（重置）响应时，表示已到达目标主机
- 或者当达到最大跳数限制（默认 30 跳）时停止
- 每个 TTL 值默认发送 3 个探测包，并打印一行输出，显示：TTL 值、网关地址以及每个探测包的往返时间（RTT）
- 地址后面可根据请求附加其他信息
- 如果同一跳的探测包来自不同网关，将分别打印每个响应系统的地址
- 如果在指定超时时间内未收到响应，则该探测包显示为
*（星号）
上文中，我们指定了一些 traceroute 的参数：
- -4：显式强制使用 IPv4 进行追踪。（因为 ARP 只适用 IPv4。IPv6 使用的是 NDP）
- -n：显示时不尝试将 IP 地址映射为主机名
- -N：指定同时发送的探测包数量。并发发送多个探测包可显著加速追踪过程。默认值为 16。（因为我想看到请求和响应交替出现的报文，所以我将其设置为 1，即每次发送一个探测包，收到回复后，再发送新的探测包）
- -q：设置每跳发送的探测包数量，默认为 3。
- -p：指定目标端口基值（每个探测包的端口号递增。递增的好处是，收到回复的包，看端口号，就知道对应的 ttl 是多少）