Linux网络-数据链路层，MAC帧解析，ARP协议

目录

数据链路层VS网络层 

以太网概念

以太网的帧格式（报文格式）（也可以称之为MAC帧）

MAC地址的概念

MAC帧格式

局域网通信原理

MTU

MTU说明

MTU对IP协议的影响

MTU对UDP协议的影响

MTU对TCP协议的影响

ARP协议

ARP协议的作用

ARP数据报格式

ARP请求+ARP应答的过程

ARP欺骗

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数据链路层VS网络层 

IP：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

而主机B到路由器F，F到G，G到H等等的局域网数据转发的问题，都是由数据链路层在这个局域网中完成转发任务的。

以太网概念

"以太网" 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的 内容. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;

例如以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;

以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等;

故上方所说的局域网转发时一个节点到另一个节点的转发，本质都是在以太网中进行的。

以太网是一种局域网技术。

以太网的帧格式（报文格式）（也可以称之为MAC帧）

 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位,是在网卡出厂时固化的
帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;分别对应0800 0806 8035

MAC地址的概念

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点（标识数据链路层中的主机的唯一性~）

长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)

在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的（所以说数据链路层是驱动层~）

IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点;

MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;（解耦）

MAC帧格式

目的地址和源地址都是MAC地址，类型标识了数据链路层进行解包之后，将有效载荷交给上层的谁，比如交给IP层（则有效载荷就是IP报文），还是ARP层（后面说ARP协议）

报头定长，可以进行解包，向上分用依据的就是类型字段的内容。

局域网通信原理

局域网内通信时，不管是两个主机之间，还是主机与路由器之间，都需要数据链路层封装MAC帧，来进行局域网转发。

这个过程就像在教室内，任意两个人进行交流一样（大声交流，不是小声交流），这里比如H1发送数据帧后，这个局域网中所有主机都会收到这个MAC帧， 由数据链路层进行解析，发现目的MAC地址不是自己，则就会直接丢弃。

因为可能存在两个主机同时发送数据帧的情况，故MAC帧数据在以太网中传输时可能发生碰撞，此时，会有碰撞避免算法，比如发送方知道自己发出的MAC帧发生了碰撞，就随机等待若干时长之后再进行重传（所以严格来说，除了TCP有可靠性，数据链路层也有可靠性策略存在）

故，局域网内主机越少越好（更小概率发生数据碰撞），局域网内节点发送数据帧时，数据帧越短越好~

所以，回归到之前讲IP时，说存在MTU限制，就是因为数据链路层因为物理原因有限制，这里其实就是根本原因（好像~）

在网络转发过程中，目的IP不会变，MAC帧的源MAC和目的MAC会变。

MTU

MTU说明

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节（这里的数据其实就是IP报文！或者ARP报文）

最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU;

MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制, 对于较大的IP数据包要进行分包（分片）.

MTU对UDP协议的影响

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报.（这里的数据指的当然就是应用层数据啦~）

这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在 网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了.

MTU对TCP协议的影响

TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(Max Segment Size);（指的是TCP的有效载荷，即应用层数据）

TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.

最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).

双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值. 然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS. MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2);

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注意，之前讲MAC帧时格式时，发现MAC帧里的类型字段，不仅仅标识着IP，还有ARP，也就是MAC帧的有效载荷不一定为IP报文，还有可能是ARP报文。

同时，在局域网中，当某一个路由器得到数据包，由目的IP决定转发给下一跳X路由器时，由数据链路层封装MAC帧，但是，此时X路由器的MAC地址是不知道的，因此要封装MAC帧，进而转发给X路由器，必须先知道其MAC地址。ARP协议就是用来解决此问题的。

ARP协议

在同一网段中，通过目标节点IP，获取对方的MAC地址  -- ARP协议，地址解析协议。（局域网协议）

 ARP协议是一种介于以太网MAC层和网络层之间的协议。

ARP协议的作用

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系.  （通过目标主机IP地址获取目标主机的MAC地址（在同一局域网中））

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址; 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢 弃; 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址;（通过ARP协议）

ARP数据报格式

 硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址; 硬件地址长度对于以太网地址为6字节; 协议地址长度对于和IP地址为4字节;

op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答。

ARP请求+ARP应答的过程

假设主机A的IP为IP_A，MAC地址为MAC_A，主机D的IP为IP_D，MAC地址未知。此时AD主机在同一局域网中，由主机A发起ARP请求，再由主机D发起ARP应答，从而由主机A获取主机D的MAC地址。

 主机A由ARP层封装ARP请求，向下交付给MAC层，封装MAC帧。因为此时不知道D的MAC地址，故其中的目标以太网地址设为全F，表示这是一个广播地址（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）。在局域网中，每一个主机都会收到这个广播MAC帧，此时MAC层必须处理：先解包，然后向上交付，因为每个主机的MAC层都无法直接获知这个MAC帧是否是发送给自己的。根据0806，交付给arp层，arp层收到后，看到op是1，也就是arp请求。再看目的IP地址，发现是发给自己的（若不是自己就直接丢弃此报文）

主机D再进行构建ARP应答，此时op为2，且目标IP，目标以太网地址，发送端IP，发送端以太网地址都已知。此时，这不再是一个广播，而是一个定向的局域网MAC帧。但是，局域网中每一个主机仍会收到这个MAC帧，其他主机收到之后，在MAC层比对目标MAC地址，不是发给自己的直接丢弃。主机A收到之后，解包，0806，交付给上层的arp层。自此主机A获取到了主机D的MAC地址，可以在主机A内部构建此ip：mac的映射。

总结：

1. arp请求和arp应答的过程为：1. 先广播arp请求（目的MAC地址为全F） 2. 再定向1v1发送arp应答。（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播

2. 局域网中，任何一个主机收到arp时，可能是一个应答，也可能是一个请求。看arp报文的op字段

3. arp请求的非接收主机在arp层丢弃。arp应答的非接收主机在MAC层丢弃。（广播和定向导致）

4. arp请求成功之后，请求方会暂时将IP : MAC地址的映射关系暂时保存下来。因为IP地址不是固定的，故并不是永久保存~

5. arp的过程并非只发生在目标主机的最终子网处，在网络传输的路径过程中随时可能发生。

6. 每台主机都维护一个ARP缓存表,可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如 果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

ARP欺骗

通过不断发送arp应答，欺骗主机A和B，修改A存储的B的MAC地址，B存储的A的MAC地址。（http/https 

arp攻击：让某主机上不了网：给目标主机发送arp应答，ip为主机所连路由器IP，MAC地址为一个错误的。这样这个主机发出的MAC帧，路由器就收不到了，因为其中的目的MAC地址是错误的。