本文介绍了ARP地址解析协议的作用，详细解释了ARP如何在发送数据前查询目的MAC地址，包括同一子网和不同子网的情况。讨论了双网卡设备在同网段时，ping操作收到不同MAC回应的问题，并提出了疑问。此外，还提到了ARP的其他用途，如检测IP冲突。最后，展示了用于测试的`arpping.c`代码片段。
声明下，因为对底层协议不是很了解，如有错误，麻烦指正，谢谢！
1、先来简单了解下ARP地址解析协议的用途
设备存在网络层地址（即IP地址）和链路层地址（即MAC地址），MAC地址是适配器（即网卡）出场就固定了的，以16进制格式表示：“XX:XX:XX:XX:XX:XX”,48位。IP地址是人为划分的，以点分十进制表示:“192.168.1.1”，32位。
IP地址是可以变动的，好比人的姓名，可以有多个别名；而MAC地址就好比人的身份证是固定的。发送数据就好比找陌生人一样，首先要确认是不是你所要找的人，最终是查看身份证号是否匹配，而不是查看他的姓名是否匹配。所以一台设备往另一台设备发送数据，必须要确认对端的MAC地址是目的地址。但就如生活中我们只叫人的姓名，而不喊他的身份证号一样，因为好记；在上层编码发送数据的时候，也只记得对端的IP地址，而不知道它的MAC地址，这时候就需要使用ARP协议来查询自己所要找的IP地址对应的MAC地址了。
总结：内核以太网驱动，必须知道目的端的硬件地址才能发送数据
2、接着来说下ARP的操作过程。在发送ARP请求前，都会在本机的ARP缓冲中查看是否已经存在了所要查询的IP对应的MAC地址，因为ARP缓存是自动建立的（别人发送据过来，本机收到都会记录该数据包的源IP地址和其MAC地址到ARP缓存中），如果在本机查到了，则不需要发送ARP请求了。下面说下没有找到的情况（一般ARP的一条记录的缓存时间是20分钟），分两种情况：目的端在同一子网和目的端在不同子网。
(注：ARP包是广播发送的，即电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧，即你把两台不同网段的设备用交换机接在一起，都能收到对方的ARP请求和应答。不过并不能发送数据，所以正常情况同一子网都是同网段的设备，不同网段的设备通过路由器隔开。所以可以说，ARP只为同一个子网上的节点解析IP地址）
虽然ARP是链路层数据包，但设备在询问目的IP并发送ARP请求时，是经过第三层网络层的路由表来决定的。
1、同一子网
目的IP经路由表查询得知是在同一子网的，适配器在链路层帧中封装这个ARP分组，用MAC广播地址作为帧的目的地址，目的IP作为帧的目的地址，将该帧传输进子网。目的IP收到该广播包后单播回应ARP包。发送端接收到该ARP回应包后，自动在ARP缓存中增加一条对应记录，最后将数据包发送到目的设备。
2、不同子网
目的IP经路由表查询得知不是在同一个子网的，则之后数据是默认发送给网关的，一般也就是路由器。此时适配器在链路层帧中封装这个ARP分组，用MAC广播地址作为帧的目的地址，网关的IP地址作为帧的目的地址，将该帧传输进子网，最后得到的是网关的MAC地址。而后数据发送给路由器，路由器再在另一子网，询问目的IP的MAC地址。可见在不同网段间传输数据包，目的IP是始终不变的，目的MAC地址会改为中间经过的路由器MAC地址。
在《计算机网络自顶向下方法》中有如下这段话
“包含该ARP查询的帧能被子网上的所有其他适配器接收到，并且（由于广播地址）每个适配器都把在该帧里的ARP分组向上传递给节点中的ARP模块。每个节点检查它的IP地址是否与ARP分组中的目的IP地址相匹配。（至多）一个匹配的节点给查询节点发送回一个带有所希望映射的相应ARP分组”
3、问题来了 （目前没有搞明白，在这里记录下，后面想明白了再来修改，或清楚的跟我讲解下，谢谢）
一台双网卡设备，有线接入路由器LAN口，无线接入该路由器热点，PC机也接入该路由器LAN口，并设有设备有线IP和无线IP同网段的IP地址（即PC都能访问有线和无线IP）。
设备存在网络层地址（即IP地址）和链路层地址（即MAC地址），MAC地址是适配器（即网卡）出场就固定了的，以16进制格式表示：“XX:XX:XX:XX:XX:XX”,48位。IP地址是人为划分的，以点分十进制表示:“192.168.1.1”，32位。
IP地址是可以变动的，好比人的姓名，可以有多个别名；而MAC地址就好比人的身份证是固定的。发送数据就好比找陌生人一样，首先要确认是不是你所要找的人，最终是查看身份证号是否匹配，而不是查看他的姓名是否匹配。所以一台设备往另一台设备发送数据，必须要确认对端的MAC地址是目的地址。但就如生活中我们只叫人的姓名，而不喊他的身份证号一样，因为好记；在上层编码发送数据的时候，也只记得对端的IP地址，而不知道它的MAC地址，这时候就需要使用ARP协议来查询自己所要找的IP地址对应的MAC地址了。
总结：内核以太网驱动，必须知道目的端的硬件地址才能发送数据
2、接着来说下ARP的操作过程。在发送ARP请求前，都会在本机的ARP缓冲中查看是否已经存在了所要查询的IP对应的MAC地址，因为ARP缓存是自动建立的（别人发送据过来，本机收到都会记录该数据包的源IP地址和其MAC地址到ARP缓存中），如果在本机查到了，则不需要发送ARP请求了。下面说下没有找到的情况（一般ARP的一条记录的缓存时间是20分钟），分两种情况：目的端在同一子网和目的端在不同子网。
(注：ARP包是广播发送的，即电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧，即你把两台不同网段的设备用交换机接在一起，都能收到对方的ARP请求和应答。不过并不能发送数据，所以正常情况同一子网都是同网段的设备，不同网段的设备通过路由器隔开。所以可以说，ARP只为同一个子网上的节点解析IP地址）
虽然ARP是链路层数据包，但设备在询问目的IP并发送ARP请求时，是经过第三层网络层的路由表来决定的。
1、同一子网
目的IP经路由表查询得知是在同一子网的，适配器在链路层帧中封装这个ARP分组，用MAC广播地址作为帧的目的地址，目的IP作为帧的目的地址，将该帧传输进子网。目的IP收到该广播包后单播回应ARP包。发送端接收到该ARP回应包后，自动在ARP缓存中增加一条对应记录，最后将数据包发送到目的设备。
2、不同子网
目的IP经路由表查询得知不是在同一个子网的，则之后数据是默认发送给网关的，一般也就是路由器。此时适配器在链路层帧中封装这个ARP分组，用MAC广播地址作为帧的目的地址，网关的IP地址作为帧的目的地址，将该帧传输进子网，最后得到的是网关的MAC地址。而后数据发送给路由器，路由器再在另一子网，询问目的IP的MAC地址。可见在不同网段间传输数据包，目的IP是始终不变的，目的MAC地址会改为中间经过的路由器MAC地址。
在《计算机网络自顶向下方法》中有如下这段话
“包含该ARP查询的帧能被子网上的所有其他适配器接收到，并且（由于广播地址）每个适配器都把在该帧里的ARP分组向上传递给节点中的ARP模块。每个节点检查它的IP地址是否与ARP分组中的目的IP地址相匹配。（至多）一个匹配的节点给查询节点发送回一个带有所希望映射的相应ARP分组”
3、问题来了 （目前没有搞明白，在这里记录下，后面想明白了再来修改，或清楚的跟我讲解下，谢谢）
一台双网卡设备，有线接入路由器LAN口，无线接入该路由器热点，PC机也接入该路由器LAN口，并设有设备有线IP和无线IP同网段的IP地址（即PC都能访问有线和无线IP）。
现在的现象是，PC机ping无线IP，会得到两个ARP回应包（对应有线MAC和无线MAC）；但PC机ping有线IP，则只得到一个ARP回应包（对应有线MAC）。
对于ping无线IP的情况，一开始我是这么理解的：
PC机发送ARP包后，有线网口和无线网口都接收到该ARP包，然后都从协议栈查询是否有所要查询的IP。因为有线和无线使用同一个协议栈，即从有线网卡进来的ARP也可以查询到无线的IP地址，并回应PC该无线IP地址对应的MAC地址是有线网卡的。
按这样的思考逻辑，在ping设备有线IP的时候，也应该会有两个ARP回应包，然而只有一个，显然上面的思考是有问题。
然后就是实际抓包，发现设备ping无线IP的时候，在设备里用tcpdump抓无线网卡的包，并没有抓到相应的ARP包，这就不明白，PC得到的无线网卡的ARP包是谁回应的，难道是路由器回应的。如果是路由器回应的，就感觉好解释，为啥ping有线包的时候只有一个ARP包回应，因为路由器里没有有线IP的记录，不过这完全是自己的猜测了...
4、说下ARP的其他用途
1）检测是否有IP冲突，即arp查询自己的IP，如有回应，则说明冲突了
2）发送ARP请求时，让所有接收到的主机更新其MAC地址
附加：可以用PING命令进行测试ARP包是二层协议数据包。两台同网段的设备A,B接在同个交换机下，将要ping的那台B设备的路由表删掉，在A设备ping B设备，虽然无回应，但抓包可以看到是有ARP回应的。因为PING命令首先判断目的IP在同网段的，发送了ARP包，并得到了回应，但发送的ICMP包，虽然B设备接收到了，但没有路由表能出数据包导致无回应。
5、最后下面代码来至busybox\networking\udhcp\arpping.c，可以进行实际测试。在执行前，先执行arp -d命令清空arp缓存，执行程序后，通过arp -a查看得到的arp缓存。
/*
* arpping.c
*
* Mostly stolen from: dhcpcd - DHCP client daemon
* by Yoichi Hariguchi <yoichi@fore.com>
*/
#include <time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/if_ether.h>
#include <net/if_arp.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include "dhcpd.h"
#include "arpping.h"
#include "common.h"
/* args: yiaddr - what IP to ping
* ip - our ip
* mac - our arp address
* interface - interface to use
* retn: 1 addr free
* 0 addr used
* -1 error
*/
/* FIXME: match response against chaddr */
int arpping(uint32_t yiaddr, uint32_t ip, uint8_t *mac, char *interface)
{
int timeout = 2;
int optval = 1;
int s; /* socket */
int rv = 1; /* return value */
struct sockaddr addr; /* for interface name */
struct arpMsg arp;
fd_set fdset;
struct timeval tm;
time_t prevTime;
if ((s = socket (PF_PACKET, SOCK_PACKET, htons(ETH_P_ARP))) == -1) {
#ifdef IN_BUSYBOX
LOG(LOG_ERR, bb_msg_can_not_create_raw_socket);
#else
LOG(LOG_ERR, "Could not open raw socket");
#endif
return -1;
}
if (setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &optval, sizeof(optval)) == -1) {
LOG(LOG_ERR, "Could not setsocketopt on raw socket");
close(s);
return -1;
}
/* send arp request */
memset(&arp, 0, sizeof(arp));
memcpy(arp.h_dest, MAC_BCAST_ADDR, 6); /* MAC DA */
memcpy(arp.h_source, mac, 6); /* MAC SA */
arp.h_proto = htons(ETH_P_ARP); /* protocol type (Ethernet) */
arp.htype = htons(ARPHRD_ETHER); /* hardware type */
arp.ptype = htons(ETH_P_IP); /* protocol type (ARP message) */
arp.hlen = 6; /* hardware address length */
arp.plen = 4; /* protocol address length */
arp.operation = htons(ARPOP_REQUEST); /* ARP op code */
memcpy(arp.sInaddr, &ip, sizeof(ip)); /* source IP address */
memcpy(arp.sHaddr, mac, 6); /* source hardware address */
memcpy(arp.tInaddr, &yiaddr, sizeof(yiaddr)); /* target IP address */
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
strcpy(addr.sa_data, interface);
if (sendto(s, &arp, sizeof(arp), 0, &addr, sizeof(addr)) < 0)
rv = 0;
/* wait arp reply, and check it */
tm.tv_usec = 0;
prevTime = uptime();
while (timeout > 0) {
FD_ZERO(&fdset);
FD_SET(s, &fdset);
tm.tv_sec = timeout;
if (select(s + 1, &fdset, (fd_set *) NULL, (fd_set *) NULL, &tm) < 0) {
DEBUG(LOG_ERR, "Error on ARPING request: %m");
if (errno != EINTR) rv = 0;
} else if (FD_ISSET(s, &fdset)) {
if (recv(s, &arp, sizeof(arp), 0) < 0 ) rv = 0;
if (arp.operation == htons(ARPOP_REPLY) &&
memcmp(arp.tHaddr, mac, 6) == 0 &&
*((uint32_t *) arp.sInaddr) == yiaddr) {
DEBUG(LOG_INFO, "Valid arp reply receved for this address");
rv = 0;
break;
}
}
timeout -= uptime() - prevTime;
prevTime = uptime();
}
close(s);
DEBUG(LOG_INFO, "%salid arp replies for this address", rv ? "No v" : "V");
return rv;
}
对应的arpping.h
/*
* arpping .h
*/
#ifndef ARPPING_H
#define ARPPING_H
#include <netinet/if_ether.h>
#include <net/if_arp.h>
#include <net/if.h>
#include <netinet/in.h>
struct arpMsg {
/* Ethernet header */
u_char h_dest[6]; /* destination ether addr */
u_char h_source[6]; /* source ether addr */
u_short h_proto; /* packet type ID field */
/* ARP packet */
uint16_t htype; /* hardware type (must be ARPHRD_ETHER) */
uint16_t ptype; /* protocol type (must be ETH_P_IP) */
uint8_t hlen; /* hardware address length (must be 6) */
uint8_t plen; /* protocol address length (must be 4) */
uint16_t operation; /* ARP opcode */
uint8_t sHaddr[6]; /* sender's hardware address */
uint8_t sInaddr[4]; /* sender's IP address */
uint8_t tHaddr[6]; /* target's hardware address */
uint8_t tInaddr[4]; /* target's IP address */
uint8_t pad[18]; /* pad for min. Ethernet payload (60 bytes) */
} ATTRIBUTE_PACKED;
/* function prototypes */
int arpping(uint32_t yiaddr, uint32_t ip, uint8_t *arp, char *interface);
#endif
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