Publicando isso como uma resposta separada para que eu possa aceitá-lo. =]
Acabei mudando todo o ARP para usar o ICMP, já que aparentemente o Who has 0.0.0.0?
é ilegal, afinal.
Meu programa agora envia um pacote de solicitação (ping) de eco ICMP com o destino IP 224.0.0.1
(camada 3, multicast para todos os hosts), mas define o MAC de destino (camada 2) como aqueles específicos que estou monitorando. Ocorre sobrecarga perceptível agora, mas acho que vou ter que viver com isso.