Linux 協議棧鄰居子系統概述：架構定位、核心流程與發送路徑

鄰居子系統是 Linux 內核網絡協議棧中連接網絡層（L3）與鏈路層（L2）的關鍵模塊，負責將 IP 地址解析為 MAC 地址（ARP/NDP），維護鄰居可達性狀態機，提供硬件頭緩存加速數據包發送。本文從架構定位、核心流程、發送路徑三個維度構建整體認知框架。

一、 什麼是鄰居？

• 物理定義：同一廣播域（二層網絡）內的節點，通過一跳可達。
• 拓撲定義：IP 路由表中 gateway 指向的下一跳設備，或本地網段內的目的主機。
• 協議棧角色：L3 到 L2 地址映射的緩存管理器、狀態機引擎、發送路徑決策器。

二、 在協議棧中的地位

用戶態應用
    ↓ sendmsg()
內核 Socket 層
    ↓ ip_route_output() / ip_route_output_slow()
路由查找 → 分配 dst_entry
    ↓ arp_bind_neighbour(dst)  【關鍵綁定點】
綁定 neighbour (創建/查找)
    ↓ dst->output() → ip_output()
    ↓ ip_finish_output2()
dst->neighbour->output(skb)  【進入鄰居子系統】
    ↓
neigh_resolve_output() / neigh_connected_output()
    ↓
構建 L2 頭部 → dev_queue_xmit() → 驅動發送

三、 發送數據包完整流程

1. UDP 發送示例

sendmsg()
  → inet_sendmsg()
    → ip_route_output_flow()      // 路由查找，獲取 dst_entry
      → arp_bind_neighbour(dst)   // 綁定鄰居
        → __neigh_lookup_errno()  // 查找/創建 neighbour
    → ip_build_xmit()             // 構建 IP 頭
    → output_maybe_reroute()
      → dst->output()             // ip_output()
        → __ip_finish_output()
          → ip_finish_output2()
            → dst->neighbour->output(skb)  // 關鍵：調用鄰居輸出函數

2. 鄰居輸出函數選擇

根據 neigh->nud_state 動態綁定：

四、 核心子模塊

1. 地址解析協議：ARP (IPv4)、NDP (IPv6)、ATMARP、CLIP (ATM)。各實現 constructor、solicit、error_report。
2. 狀態機引擎：8 狀態（INCOMPLETE, REACHABLE, STALE, DELAY, PROBE, FAILED, PERMANENT, NOARQ），由定時器、接收報文、發送事件驅動轉換。
3. 垃圾回收器：neigh_periodic_timer 分桶掃描，根據 gc_thresh1/2/3、gc_staletime 清理失效條目。
4. 硬件頭緩存：hh_cache 緩存完整 L2 頭部（以太網頭+VLAN+PPPoE 等），neigh_hh_output 直接 memcpy 填充，避免重複調用 dev->hard_header()。
5. 代理 ARP/NDP：pneigh_entry 支持代理回應、PVLAN 隔離場景。

五、 初始化鏈

start_kernel()
  → net_dev_init()        // 設備模型
  → arp_init()            // IPv4 ARP
      → neigh_table_init(&arp_tbl)
      → dev_add_pack(&arp_packet_type)
      → register_netdevice_notifier()
  → ndisc_init()          // IPv6 NDP
      → neigh_table_init(&nd_tbl)
  → neigh_sysctl_init()   // sysctl 參數樹

六、 用戶態交互接口

七、 總結：鄰居子系統三大核心價值

1. 解耦：網絡層無需關心 L2 地址細節，統一通過 neighbour 抽象訪問。
2. 性能：狀態機減少 ARP 廣播風暴、硬件頭緩存消除重複封裝開銷、RCU 無鎖查找支撐高並發。
3. 可靠性：可達性探測機制自動檢測鏈路故障、GC 防止內存洩漏、代理 ARP 支持複雜拓撲。