ARP，全稱Address Resolution Protocol，譯作地址解析協議，是位於TCP/IP協議棧底層的協議。任何網絡的通信都是基於底層硬件鏈路的，底層的數據鏈路有着自己的一套尋址機制，在以太網中，往往是通過一個48位的MAC地址來標示不同的網絡通信設備的。而 TCP/IP協議的上層是使用IP地址作爲各個主機間通信尋址機制的。當源主機上層要向目標主機發送數據時，它只知道目標主機的IP地址，此時，源主機需要將該IP地址轉換爲目的主機對應的MAC地址，這樣才能在數據鏈路上選擇正確的通道將數據傳送出去，這就是ARP的作用。
協議裏面的一段描述可能更明瞭：在ARP背後有一個基本概念，那就是每個網絡接口有一個硬件地址（一個 48 bit的值，標識不同的以太網或令牌環網絡接口），在硬件層次上進行的數據幀交換必須有正確的硬件接口地址。但是，TCP/IP有自己的地址：32bit的IP地址。知道主機的IP地址並不能讓內核發送一幀數據給主機。內核（如以太網驅動程序）必須知道目的端的硬件地址才能發送數據。ARP的功能是在32 bit的I P地址和採用不同網絡技術的硬件地址之間提供動態映射。ARP協議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的進行。
ARP協議實現的核心是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緩存表是由一個個的**緩存表項（entry）**組成的，LWIP中描述緩存表項的數據結構叫etharp_entry，上源代碼：
struct etharp_entry {
#if ARP_QUEUEING
struct etharp_q_entry *q; // 數據包緩衝隊列指針
#endif
struct ip_addr ipaddr; // 目標IP地址
struct eth_addr ethaddr; // MAC地址
enum etharp_state state; // 描述該entry的狀態
u8_t ctime; // 描述該entry的時間信息
struct netif *netif; // 相應網絡接口信息
};
ARP_QUEUEING是編譯選項，表示是否允許緩存表項有數據包緩衝隊列，在opt.h裏面設置。爲什麼要用數據包緩衝隊列指針，隨後慢慢道來。ipaddr和ethaddr字段就是分別用於存儲IP地址和MAC地址的，它們是ARP緩存表項的核心部分了。state是個枚舉類型，它表示該緩存表項的狀態，一個表項有三個可能的狀態，我們用枚舉型etharp_state進行描述。
enum etharp_state {
ETHARP_STATE_EMPTY = 0,
ETHARP_STATE_PENDING,
ETHARP_STATE_STABLE
};
LWIP內核通過數組的方式來創建ARP緩存表，如下，
static struct etharp_entry arp_table[ARP_TABLE_SIZE];
初始化緩存表中的各個緩存表項都處於初始狀態，沒有記錄任何信息，此時每個表項都處於ETHARP_STATE_EMPTY狀態，ETHARP_STATE_PENDING狀態表示該表項處於不穩定狀態，很可能的情況是，該表項只記錄到了IP地址，但是還未記錄到對應該IP地址的MAC地址，此時就該表項就處於ETHARP_STATE_PENDING狀態。在該狀態下，LWIP內核會發出一個廣播ARP請求到數據鏈路上，以讓對應IP地址的主機迴應其MAC地址，當源主機接收到MAC地址時，它就更新對應的ARP表項。當ARP表項得到更新後，它就完全記錄了一對IP地址和MAC地址，此時該表項就處於ETHARP_STATE_STABLE狀態。注意當某表項處在PENDING狀態時，要發往該表項中IP地址處的數據包會被連接在表項對應的數據包緩衝隊列上，當等到該表項穩定後，這些數據包纔會被髮送出去。這就是爲什麼每個表項需要有數據包緩衝隊列指針了。
ctime字段記錄表項處於某個狀態的時間，當某表項的ctime值大於規定的表項最大生存值時，該表項會被內核刪除。在第一講中，我們就說到了關於LWIP的超時事件，要使用ARP功能，就必須設置一個ARP超時事件，該超時事件的基本功能就是對每個表項的ctime字段值加1，然後刪除那些生存時間大於最大生存值的表項。
好了，下面講講能夠正確建立ARP緩存的基礎：ARP數據包。要在源主機上建立關於目標主機的IP地址與MAC地址對應表項，則源主機和目的主機間的基本信息交互是必須的，簡單的說就是，源主機如何告訴目的主機：我需要你的MAC地址；而目的主機如何回覆：這就是我的MAC地址。ARP數據包，這就派上用場了。
ARP數據包可以分爲ARP請求數據包和ARP應答數據包，ARP數據包到達底層鏈路時會被加上以太網數據包頭髮送出去，最終呈現在鏈路上的數據報頭格式如下圖，
以太網包頭中的前兩個字段是以太網的目的MAC地址和源MAC地址，在前面一章已經有講解。目的地址爲全 1的特殊地址是廣播地址。在ARP表項建立前，源主機只知道目的主機的IP地址，並不知道其MAC地址，所以在數據鏈路上，源主機只有通過廣播的方式將ARP請求數據包發送出去。電纜上的所有以太網接口都要接收廣播的數據包，並檢測數據包是否是發給自己的，這點通過對照目的IP地址來實現，如果是發給自己的，目的主機需要回復一個ARP應答數據包給源主機，以告訴源主機自己的MAC地址。
兩個字節長的以太網幀類型表示後面數據的類型。對於ARP請求或應答數據包來說，該字段的值爲0x0806，對於IP數據包來說，該字段的值爲0x0800。
以太網數據報頭說完，來說ARP數據報頭。
硬件類型字段表示硬件地址的類型，它的值爲 1即表示以太網MAC地址，長度爲6個字節。協議類型字段表示要映射的協議地址類型。它的值爲0x0800即表示要映射爲IP地址。它的值與包含IP數據報的以太網數據幀頭中的類型字段的值相同。
接下來的兩個1字節的字段，硬件地址長度和協議地址長度分別指出硬件地址和協議地址的長度，以字節爲單位。對於以太網上A R P請求或應答來說，它們的值分別爲6和4。
操作字段op指出四種操作類型，它們是 A R P請求（值爲1）、A R P應答（值爲2）、R A R P請求（值爲3）和R A R P應答（值爲4），這裏我們只關心前兩個類型。這個字段必需的，因爲A R P請求和A R P應答的幀類型字段值是相同的。
接下來的四個字段是發送端的以太網MAC地址、發送端的I P地址、目的端的以太網MAC地址和目的端的I P地址。
注意，這裏有一些重複信息：在以太網的數據幀報頭中和A R P請求數據幀中都有發送端的以太網MAC地址。對於一個ARP請求來說，除目的端MAC地址外的所有其他的字段都有填充值。當目的主機收到一份給自己的ARP請求報文後，它就把自己的硬件地址填進去，然後將該請求數據包的源主機信息和目的主機信息交換位置，並把操作字段op置爲2，最後把該新構建的數據包發送回去，這就是ARP響應。
最後，用源碼來看看LWIP是如何描述上面的這個數據報頭的：
struct etharp_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_hdr ethhdr); // 14字節的以太網數據報頭
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t hwtype); // 2字節的硬件類型
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t proto); // 2字節的協議類型
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hwlen_protolen); // 兩個1字節的長度字段
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t opcode); // 2字節的操作字段op
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr shwaddr); // 6字節源MAC地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 sipaddr); // 4字節源IP地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dhwaddr); // 6字節目的MAC地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr2 dipaddr); // 4字節目的IP地址
} PACK_STRUCT_STRUCT;
和前面的各個描述完全相符。PACK_STRUCT_FIELD()是防止編譯器字對齊的宏定義。