Linux操作系统内核ARP的设计实现概述

ARP (Address Resolution Protocol) 是用来将IP地址转化成机器的网卡物理地址（硬件地址）。当一台机器要向另外一台物理上相连的机器发送IP包的时候，它要先检查一下自己的ARP缓存，试图找到对方的硬件地址，如果找不到的话，将要发送的IP包放入等待队列中，接着发出一个ARP请求。等到收到ARP应答的时候，构造好原来正在等待的IP包的ethernet头部（目的硬件地址，源硬件地址），再将这个IP包发送出去。

Linux的ARP实现相当复杂，部分原因是Linux不止要支持ethernet，还要支持其它类型的网络，另外一部分原因是ARP的实现实际上是和路由处理（routing）相关，所以理解起来不太容易。

首先我要讲一下ARP函数的调用过程：

(1) 当系统初始化时，调用arp_init来初始化ARP缓存（arp_tbl），并且注册ARP协议的接收函数。

(2) 当网卡驱动程序收到一个网络包（packet）的时候，会分配一个sk_buff(skb)，将数据拷贝进这个缓冲区，然后调用netif_rx把skb放入等待队列（input_pkt_queue）中，并且产生一个软中断。当系统处理这个软中断的时候，会调用net_rx_action，它根据网络包的类型，调用相应的接收函数来处理。如果是ARP包，则调用arp_rcv。

(3)arp_rcv判断这个arp请求是不是询问本机或者本机代理的硬件地址，如果是的话，调用arp_send发回arp应答。另外arp_rcv还尽量保留对方机器的mac addres。

(4) arp_send分配一个sk_buff(skb)，填好arp包的类型，源硬件地址，源IP地址，目的硬件地址，目的IP地址，然后调用dev_queue_xmit这个arp包发送出去。

其次，描述一下ARP主要的数据结构：

(1) neigh_table

neigh_table是一个用来描述物理上互相连接的机器的信息的哈希表，ARP缓存arp_tbl 就是这样的一个neigh_table。系统中所有的neigh_table都连在一起。下面是一些主要的域：+ struct neighbour *hash_buckets[NEIGH_HASHMASK+1]; hash_buckets存放着所有邻居（物理上相连的机器）的信息，共有32个bucket，每一个bucket存放着一条neighbor链表。

+ struct pneigh_entry *phash_buckets[PNEIGH_HASHMASK+1];phash_buckets存放着所有proxy arp的entry，每一个entry由网卡设备和ip地址组成，指明由哪个网卡设备代理哪个ip的mac地址。共有16个bucket.+ int family;

网络类型，为AF_INET

int entry_size; 大小为sizeof(struct neighbour) + 4

int key_len; 键的长度，为4

+ __u32 (*hash)(const void *pkey, const struct net_device *);
int (*constructor)(struct neighbour *);
int (*pconstructor)(struct pneigh_entry *);

这几个分别是ARP的哈希函数，neighbour和pneigh_entry的构造函数，

+ struct neigh_parms parms;

ARP缓存的一些参数，包括ARP包传输时间，重发时间，队列长度和代理队列长度等等。

+ int gc_interval;
int gc_thresh1;
int gc_thresh2;
int gc_thresh3;
unsigned long last_flush;
struct timer_list gc_timer;

ARP缓存有一个回收机制（garbage collection），这些参数用来设置回收的频率和阀值等等。

+ struct sk_buff_head proxy_queue;

有时proxy arp并不马上发回应答，那么就将arp包暂时放在这个队列里。

(2) neighbour

neighbour包含了邻居（物理上互相连接的机器）的信息，以下是它只要的域：

+ struct net_device *dev;

与邻居相连的网络设备（网卡）。

+ __u8 nud_state;neighbour的状态，包括NUD_INCOMPLETE（未完成），NUD_REACHABLE（无法访问），NUD_STALE（过时）和NUD_FAILED（失败）等等。

+ unsigned char ha[(MAX_ADDR_LEN+sizeof(unsigned long)-1)&~(sizeof(unsigned long)-1)];邻居的硬件地址。

+ struct hh_cache *hh;ethernet包的头部缓存，用来加快往邻居发送的速度。Linux提高效率的努力可见一斑 :-) 。

+ struct sk_buff_head arp_queue;等待这个邻居的硬件地址的IP包队列。

+ struct neigh_ops *ops;对neighbour操作的一套函数指针。有点像c++类的成员函数。

+ u8 primary_key[0];哈希表的主键，一般是IP地址。