一.問題
眾所周知，ARP是一個鏈路層的地址解析協議，它以IP地址為鍵值，查詢保有該IP地址主機的MAC地址。協議的詳情就不詳述了，你可以看RFC，也可以看教科書。這裡寫這麼一篇文章，主要是為了做一點記錄，同時也為同學們提供一點思路。具體呢，我遇到過兩個問題：
1.使用keepalived進行熱備份的系統需要一個虛擬的IP地址，然而該虛擬IP地址到底屬於哪台機器是根據熱備群的主備來決定的，因此主機器在獲得該虛擬IP的時候，必須要廣播一個免費的arp，起初人們認為這沒有必要，理由是不這麼做，熱備群也工作的很好，然而事實證明，這是必須的；
2.ARP緩存表項都有一個老化時間，然而在linux系統中卻沒有給出具體如何來設置這個老化時間。那麼到底怎麼設置這個老化時間呢？
二.解答問題前的說明
ARP協議的規范只是闡述了地址解析的細節，然而並沒有規定協議棧的實現如何去維護ARP緩存。ARP緩存需要有一個到期時間，這是必要的，因為ARP緩存並不維護映射的狀態，也不進行認證，因此協議本身不能保證這種映射永遠都是正確的，它只能保證該映射在得到arp應答之後的一定時間內是有效的。這也給了ARP欺騙以可乘之機，不過本文不討論這種欺騙。
像Cisco或者基於VRP的華為設備都有明確的配置來配置arp緩存的到期時間，然而Linux系統中卻沒有這樣的配置，起碼可以說沒有這樣的直接配置。Linux用戶都知道如果需要配置什麼系統行為，那麼使用sysctl工具配置procfs下的sys接口是一個方法，然而當我們google了好久，終於發現關於ARP的配置處在/proc/sys/net/ipv4/neigh/ethX的時候，我們最終又迷茫於該目錄下的N多文件，即使去查詢Linux內核的Documents也不能清晰的明了這些文件的具體含義。對於Linux這樣的成熟系統，一定有辦法來配置ARP緩存的到期時間，但是具體到操作上，到底怎麼配置呢？這還得從Linux實現的ARP狀態機說起。
如果你看過
《Understading Linux Networking Internals》並且真的做到深入理解的話，那麼本文講的基本就是廢話，但是很多人是沒有看過那本書的，因此本文的內容還是有一定價值的。
Linux協議棧實現為ARP緩存維護了一個狀態機，在理解具體的行為之前，先看一下下面的圖(該圖基於
《Understading Linux Networking Internals》裡面的圖26-13修改，在第二十六章)：
在上圖中，我們看到只有arp緩存項的reachable狀態對於外發包是可用的，對於stale狀態的arp緩存項而言，它實際上是不可用的。如果此時有人要發包，那麼需要進行重新解析，對於常規的理解，重新解析意味著要重新發送arp請求，然後事實上卻不一定這樣，因為Linux為arp增加了一個“事件點”來“不用發送arp請求”而對arp協議生成的緩存維護的優化措施，事實上，這種措施十分有效。這就是arp的“確認”機制，也就是說，如果說從一個鄰居主動發來一個數據包到本機，那麼就可以確認該包的“上一跳”這個鄰居是有效的，然而為何只有到達本機的包才能確認“上一跳”這個鄰居的有效性呢？因為Linux並不想為IP層的處理增加負擔，也即不想改變IP層的原始語義。
Linux維護一個stale狀態其實就是為了保留一個neighbour結構體，在其狀態改變時只是個別字段得到修改或者填充。如果按照簡單的實現，只保存一個reachable狀態即可，其到期則刪除arp緩存表項。Linux的做法只是做了很多的優化，但是如果你為這些優化而絞盡腦汁，那就悲劇了...
三.Linux如何來維護這個stale狀態
在Linux實現的ARP狀態機中，最復雜的就是stale狀態了，在此狀態中的arp緩存表項面臨著生死抉擇，抉擇者就是本地發出的包，如果本地發出的包使用了這個stale狀態的arp緩存表項，那麼就將狀態機推進到delay狀態，如果在“垃圾收集”定時器到期後還沒有人使用該鄰居，那麼就有可能刪除這個表項了，到底刪除嗎？這樣看看有木有其它路徑使用它，關鍵是看路由緩存，路由緩存雖然是一個第三層的概念，然而卻保留了該路由的下一條的ARP緩存表項，這個意義上，Linux的路由緩存實則一個轉發表而不是一個路由表。
如果有外發包使用了這個表項，那麼該表項的ARP狀態機將進入delay狀態，在delay狀態中，只要有“本地”確認的到來(本地接收包的上一跳來自該鄰居)，linux還是不會發送ARP請求的，但是如果一直都沒有本地確認，那麼Linux就將發送真正的ARP請求了，進入probe狀態。因此可以看到，從stale狀態開始，所有的狀態只是為一種優化措施而存在的，stale狀態的ARP緩存表項就是一個緩存的緩存，如果Linux只是將過期的reachable狀態的arp緩存表項刪除，語義是一樣的，但是實現看起來以及理解起來會簡單得多！
再次強調，reachable過期進入stale狀態而不是直接刪除，www.linuxidc.com 是為了保留neighbour結構體，優化內存以及CPU利用，實際上進入stale狀態的arp緩存表項時不可用的，要想使其可用，要麼在delay狀態定時器到期前本地給予了確認，比如tcp收到了一個包，要麼delay狀態到期進入probe狀態後arp請求得到了回應。否則還是會被刪除。
