既然已經解釋了ARP的用途，我們再來看看它是如何工作的。為了實現IP地址與網卡MAC地址的查詢與轉換，ARP協議引入了ARP緩存表的概念，每臺主機或路由器在其內存中具有一個ARP緩存表（ARP table），這張表包含IP地址到MAC地址的映射關系，表中記錄了對，他們是主機最近運行時獲得關于其他主機的IP地址到物理地址的映射，當需要發送IP數據的時候，主機就會根據目標IP地址到ARP緩存表中進行查找對應的MAC地址，然后通過網卡將數據發送出去。ARP表也包含一個壽命（TTL）值，它指示了從表中刪除每個映射的時間。從一個表項放置到某ARP表中開始，一個表項通常的過期時間是10分鐘。 我們電腦也是有自己的ARP緩存表的，可以在控制臺中通過“arp -a”命令進行查看，具體見圖 10?2。  從圖中可以看到作者的電腦有很多這樣子的緩存表，其中192.168.0.181是我電腦的IP地址，而192.168.0.xxx這些IP是公司的其他電腦與其對應的物理地址（MAC地址），比如IP地址為192.168.0.108的電腦MAC地址為dc-72-9b-cf-0c-e5，如果我想向該電腦發送一個數據包，那么我的電腦就會從已有的ARP緩存表中尋找這個IP地址對應的物理地址，然后直接將數據寫入以太網數據幀中讓網卡進行發送即可，而如果沒有找到這個IP地址，那么這個數據就沒法立即發送，電腦會先在局域網上廣播一個ARP請求（目標MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF），廣播的ARP請求發出后，處于同一局域網內的所有主機都會接收到這個請求，如果目標IP地址與主機自身IP地址吻合就會返回一個ARP應答，告訴請求者自身的MAC地址，當我的電腦收到這個ARP應答后，就去更新ARP緩存表，并且重新將數據發送出去。 ARP協議的核心就是對緩存表的操作，發送數據包的時候，查找ARP緩存表以得到對應的MAC地址，必要時進行ARP緩存表的更新，此外ARP還需要不斷處理其他主機的ARP請求，在ARP緩存表中的TTL即將過期的時候更新緩存表以保證緩存表中的表項有效。 其運作過程大致可以理解為： 1. 如果主機A想發送數據給主機B，主機A首先會檢查自己的ARP緩存表，查看是否有主機B的IP地址和MAC地址的對應關系，如果有，則會將主機B的MAC地址作為源MAC地址封裝到數據幀中。如果本地ARP緩存中沒有對應關系，主機A就會向局域網中廣播ARP請求（包括發送方的IP地址、MAC地址、接收方的IP地址），每臺主機接收到ARP請求后都檢查自己的IP地址是否與ARP請求中的接收方IP地址相同，若不相同則丟棄ARP請求包。 2. 當交換機接受到此數據幀之后，發現此數據幀是廣播幀，因此，會將此數據幀從非接收的所有接口發送出去。 3. 當主機B接受到此數據幀后，會校對IP地址是否是自己的，并將主機A的IP地址和MAC地址的對應關系記錄到自己的ARP緩存表中，同時會發送一個ARP響應，其中包括自己的MAC地址。 4. 主機A在收到這個回應的數據幀之后，在自己的ARP緩存表中記錄主機B的IP地址和MAC地址的對應關系。而此時交換機已經學習到了主機A和主機B的MAC地址了。 那么在LwIP中緩存表是如何實現的呢？下面我們就結合源碼進行講解。 ARP協議的核心是ARP緩存表，ARP的實質就是對緩存表的建立、更新、查詢等操作，ARP緩存表的核心是表項（entry）。LwIP使用一個arp\_table數組描述ARP緩存表，數組的內容是表項的內容，具體見代碼清單 10?1。每個表項都必須記錄一對IP地址與MAC地址的映射關系，此外還有一些基本的信息，如表項的狀態、生命周期（生存時間）以及對應網卡的基本信息，LwIP使用一個etharp\_entry結構體對表項進行描述，具體見代碼清單 10?2。 ``` static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE]; ``` 編譯器預先定義了緩存表的大小，ARP\_TABLE\_SIZE默認為10，也就是最大能存放10個表項，由于這個表很小，LwIP對表的操作直接采用遍歷方式，遍歷每個表項并且更改其中的內容。 ``` 1 struct etharp_entry 2 { 3 #if ARP_QUEUEING 4 /** 指向此ARP表項上掛起的數據包隊列的指針。 */ 5 struct etharp_q_entry *q; (1)-① 6 #else 7 /** 指向此ARP表項上的單個掛起數據包的指針。 */ 8 struct pbuf *q; (1)-② 9 #endif 10 ip4_addr_t ipaddr; (2) 11 struct netif *netif; (3) 12 struct eth_addr ethaddr; (4) 13 u16_t ctime; (5) 14 u8_t state; (6) 15 }; ``` (1)：這里使用了一個宏定義進行預編譯，默認配置該宏定義是不打開的，其實都是一樣，q都是指向數據包，(1)-①中的etharp_q_entry指向的是數據包緩存隊列，etharp_q_entry是一個結構體，具體見代碼清單 10 3，如果將ARP_QUEUEING宏定義打開，系統會為etharp_q_entry結構體開辟一些MEMP_ARP_QUEUEING類型的內存池，以便快速申請內存。而(1)-②中的q直接指向單個數據包。具體見圖 10-3與圖 10-4。   ``` 1 struct etharp_q_entry 2 { 3 struct etharp_q_entry *next; 4 struct pbuf *p; 5 }; ``` (2)：記錄目標IP地址。 (3)： 對應網卡信息。 (4)：記錄與目標IP地址對應的MAC地址。 (5)：生存時間。 (6)：表項的狀態，LwIP中用枚舉類型定義了不同的狀態，具體見： ``` 1 /** ARP states */ 2 enum etharp_state 3 { 4 ETHARP_STATE_EMPTY = 0, 5 ETHARP_STATE_PENDING, 6 ETHARP_STATE_STABLE, 7 ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_1, 8 ETHARP_STATE_STABLE_REREQUESTING_2 9 #if ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES 10 , ETHARP_STATE_STATIC 11 #endif /* ETHARP_SUPPORT_STATIC_ENTRIES */ 12 }; ``` ARP緩存表在初始化的時候，所有的表項都會被初始化為ETHARP\_STATE\_EMPTY，也就是空狀態，表示這些表項能被使用，在需要添加表項的時候，LwIP內核就會遍歷ARP緩存表，找到合適的表項，進行添加。如果ARP表項處于ETHARP\_STATE\_PENDING狀態，表示ARP已經發出了一個ARP請求包，但是還未收到目標IP地址主機的應答，處于這個狀態的緩存表項是有等待時間的，它通過宏定義ARP\_MAXPENDING指定，默認為5秒鐘，如果從發出ARP請求包后的5秒內還沒收到應答，那么該表項又會被刪除；而如果收到應答后，ARP就會更新緩存表的信息，記錄目標IP地址與目標MAC地址的映射關系并且開始記錄表項的生存時間，同時該表項的狀態會變成ETHARP\_STATE\_STABLE狀態。當要發送數據包的時候，而此時表項為ETHARP\_STATE\_PENDING狀態，那么這些數據包就會暫時被掛載到表項的數據包緩沖隊列上，直到表項的狀態為ETHARP\_STATE\_STABLE，才進行發送數據包。對于狀態為ETHARP\_STATE\_STABLE的表項，這些表項代表著ARP記錄了IP地址與MAC地址的映射關系，能隨意通過IP地址進行數據的發送，但是這些表項是具有生存時間的，通過宏定義ARP\_MAXAGE指定，默認為5分鐘，在這些時間，LwIP會不斷維護這些緩存表以保持緩存表的有效。當表項是ETHARP\_STATE\_STABLE的時候又發送一個ARP請求包，那么表項狀態會暫時被設置為ETHARP\_STATE\_STABLE\_REREQUESTING\_1，然后被設置為ETHARP\_STATE\_STABLE\_REREQUESTING\_2狀態，這些是一個過渡狀態，當收到ARP應答后，表項又會被設置為ETHARP\_STATE\_STABLE，這樣子能保持表項的有效。 所以ARP緩存表是一個動態更新的過程，為什么要動態更新呢？因為以太網的物理性質并不能保證數據傳輸的是可靠的。以太網發送數據并不會知道對方是否已經介紹成功，而兩臺主機的物理線路不可能一直保持有效暢通，那么如果不是動態更新的話，主機就不會知道另一臺主機是否在工作中，這樣子發出去的數據是沒有意義的。比如兩臺主機A和B，一開始兩臺主機都是處于連接狀態，能正常進行通信，但是某個時刻主機B斷開了，但是主機A不會知道主機B是否正常運行，因為以太網不會提示主機B已經斷開，那么主機A會一直按照MAC地址發送數據，而此時在物理鏈路層就已經是不通的，那么這些數據是沒有意義的，而如果ARP動態更新的話，主機A就會發出ARP請求包，如果得不到主機B的回應，則說明無法與主機B進行通信，那么就會刪除ARP表項，就無法進行通信。