昨天我們完成了 Ethernet Layer（Layer 2）的接收過濾機制（Receive Filter），讓自製網路堆疊能夠像真正的網卡一樣判斷哪些封包該接收、哪些封包該丟棄。

今天我們將正式進入第一個真正的網路協定：

ARP
(Address Resolution Protocol)

ARP 是連接 Layer 2（Ethernet）與 Layer 3（IPv4）的重要橋樑。

完成今天的內容後，我們將能夠：

• 定義 ARP Header 結構
• 手動構造 ARP Request
• 將 ARP 封包封裝進 Ethernet Frame
• 使用 write() 發送 Ethernet Frame
• 使用 tcpdump 與 Wireshark 驗證封包內容

這也是我們第一次真正主動向網路送出封包。

今日學習目標

完成以下內容：

• [x] 理解 ARP 的用途與運作流程
• [x] 定義 ARP Header 結構體
• [x] 在 config.h 建立本機 IP 位址
• [x] 實作 arp_build_request()
• [x] 手動構造 Ethernet + ARP Request
• [x] 使用 write() 發送封包
• [x] 使用 tcpdump 驗證封包內容
• [x] 使用 Wireshark 驗證 ARP 欄位

1. 核心概念：為什麼需要 ARP？

在網路世界中存在兩種位址：

應用程式與路由表使用的是：

IP Address

但 Ethernet 網卡真正傳送資料時使用的是：

MAC Address

因此在傳送封包前，必須先完成：

IP Address
      ↓
MAC Address

的轉換。

這就是 ARP 的工作。

1.1 ARP 解決什麼問題？

假設：

PC A
IP : 10.0.0.2

想要傳送封包給：

PC B
IP : 10.0.0.1

流程如下：

PC A
  │
  ├─ 知道目標 IP
  │
  ├─ 不知道目標 MAC
  │
  ▼
無法建立 Ethernet Header

因為 Ethernet Header 必須填寫：

Destination MAC

所以必須先詢問：

誰的 IP 是 10.0.0.1？

1.2 ARP Request 運作流程

ARP 採用廣播方式進行查詢。

在送出一般 IPv4 封包之前，主機需要先知道目標 IP 對應到哪一個 MAC Address。當這個對應關係還不存在時，就會先發出 ARP Request，透過 Ethernet Broadcast 問同一個區域網路中的所有設備。

這張圖可以看到 ARP Request 的核心概念：發送端已經知道目標 IP，但還不知道目標 MAC，因此會把 Ethernet Destination MAC 設成 ff:ff:ff:ff:ff:ff，讓區域網路內的所有設備都能收到這個查詢。真正擁有該 IP 的設備，才會在下一步回覆自己的 MAC Address。

流程如下：

PC A
(10.0.0.2)

      │
      │ ARP Request
      ▼

"Who has 10.0.0.1 ?"

      │
      ▼

Broadcast
ff:ff:ff:ff:ff:ff

      │
      ▼

所有設備收到

真正擁有：

10.0.0.1

的設備會回覆：

ARP Reply

10.0.0.1
=
02:00:00:00:00:99

之後 PC A 就能建立 Ethernet Frame。

2. ARP Packet 結構

ARP Header 固定長度為：

28 Bytes

結構如下：

2.1 各欄位說明

ARP Request 固定值

代表：

Ethernet
+
IPv4
+
ARP Request

2.2 為什麼 Target MAC 要填 0？

因為：

不知道 MAC
      ↓
才需要 ARP

因此：

Target MAC

00:00:00:00:00:00

代表：

我不知道你的 MAC，請你自己告訴我。

3. 專案架構調整

今天新增 ARP 模組。

Networking_Fundamentals
│
├── include
│   ├── config.h
│   ├── ethernet.h
│   └── arp.h
│
├── src
│   └── arp.c
│
└── test
    └── send_arp.c

4. 建立 ARP Header

檔案：

include/arp.h

負責：

• ARP 常數
• ARP Header 定義
• Function Prototype

完整程式碼

#ifndef ARP_H
#define ARP_H

#include <stdint.h>

#define ARP_REQUEST 1
#define ARP_REPLY   2

struct arp_packet {

    uint16_t htype;
    uint16_t ptype;

    uint8_t hlen;
    uint8_t plen;

    uint16_t oper;

    uint8_t sha[6];
    uint8_t spa[4];

    uint8_t tha[6];
    uint8_t tpa[4];

} __attribute__((packed));

void arp_build_request(
    struct arp_packet *arp,
    const uint8_t *src_mac,
    const uint8_t *src_ip,
    const uint8_t *target_ip
);

#endif

驗證 Header 大小

printf("%lu\n",
       sizeof(struct arp_packet));

輸出：

28

表示結構體大小完全符合 RFC 規範。

5. 建立本機 IP 設定

檔案：

include/config.h

從今天開始，課程統一使用以下本機虛擬設備設定：

#ifndef CONFIG_H
#define CONFIG_H

#include <stdint.h>

static const uint8_t LOCAL_MAC[6] = {
    0x02,
    0x00,
    0x00,
    0x00,
    0x00,
    0x01
};


static const uint8_t LOCAL_IP[4] = {
    10,
    0,
    0,
    2
};

#endif

目前我們的虛擬設備資訊：

MAC : 02:00:00:00:00:01
IP  : 10.0.0.2

也就是說，接下來送出的 ARP Request 會是：

Who has 10.0.0.1 ?
Tell 10.0.0.2

6. 實作 ARP Request Builder

檔案：

src/arp.c

核心邏輯

設定固定欄位：

arp->htype = htons(1);
arp->ptype = htons(0x0800);

arp->hlen = 6;
arp->plen = 4;

arp->oper = htons(ARP_REQUEST);

代表：

Ethernet
+
IPv4
+
ARP Request

複製來源資訊：

memcpy(arp->sha, src_mac, 6);
memcpy(arp->spa, src_ip, 4);

設定目標資訊：

memset(arp->tha, 0x00, 6);

memcpy(
    arp->tpa,
    target_ip,
    4
);

完成後：

Who has 10.0.0.1 ?
Tell 10.0.0.2

就已經存在記憶體中了。

7. 建立發送程式

檔案：

test/send_arp.c

今天第一次使用：

write()

主動送出 Ethernet Frame。

封包組裝流程

Ethernet Header
        +
ARP Packet
        ↓
Ethernet Frame
        ↓
write()
        ↓
tap0

Ethernet Header

設定：

Destination MAC
=
ff:ff:ff:ff:ff:ff

因為 ARP Request 必須廣播。

ARP Payload

查詢：

10.0.0.1

對應的 MAC。

Frame 長度

Ethernet Header
14 Bytes

ARP Packet
28 Bytes

總長度：

14 + 28 = 42 Bytes

8. 編譯與執行

編譯

cd ~/Networking_Fundamentals

gcc \
test/send_arp.c \
src/arp.c \
-Iinclude \
-o send_arp

開啟監聽

終端機 A：

sudo tcpdump \
-i tap0 \
-nn \
-e arp

發送 ARP Request

終端機 B：

sudo ./send_arp

輸出：

Sending ARP Request:

Who has 10.0.0.1 ?

Tell 10.0.0.2

9. 驗證結果

tcpdump

02:00:00:00:00:01 >
ff:ff:ff:ff:ff:ff,

ethertype ARP (0x0806),

Request who-has 10.0.0.1
tell 10.0.0.2

這代表：

write()
    ↓
tap0
    ↓
Linux Kernel
    ↓
tcpdump

已成功收到我們送出的封包。

Wireshark 驗證

全部欄位與 RFC 826 完全一致。

10. 常見問題（Q&A）

Q1：為什麼 Destination MAC 必須是廣播？

因為我們不知道：

10.0.0.1

的 MAC。

既然不知道要送給誰，

就只能：

送給所有人

因此使用：

ff:ff:ff:ff:ff:ff

Q2：為什麼 Target MAC 要填 00:00:00:00:00:00？

因為：

不知道 MAC
      ↓
才發起 ARP

若已經知道 MAC，

根本不需要 ARP Request。

Q3：為什麼要使用 htons()？

ARP Header 中的所有多位元組欄位：

htype
ptype
oper

都必須使用：

htons()

轉換成 Network Byte Order。

否則 Wireshark 會解析錯誤。

今日總結

今天我們成功完成了第一個真正的網路協定：

ARP Request

資料流正式進化為：

Application
      ↓
ARP Builder
      ↓
Ethernet Frame
      ↓
tap0
      ↓
Linux Kernel

我們已經具備：

• 建立 ARP Header
• 組裝 Ethernet Frame
• 主動發送封包
• 驗證封包內容

這代表我們不再只是接收資料，而是正式開始與網路互動。

下一堂課預告（Day 05）

明天我們將實作：

ARP Reply Parser

學習接收：

10.0.0.1 is-at
02:00:00:00:00:99

並建立第一個真正的核心資料結構：

ARP Table
(IP → MAC Cache)

讓我們的網路堆疊開始具備記憶能力，不再每次都需要重新廣播查詢。