Linux学习记录——삼십구 数据链路层协议

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应用层(HTTP，HTTPS) → 传输层(TCP，UDP) → 网络层(IP) → 数据链路层

1、了解数据链路层

实际上IP协议提供的路由功能，路径选择，比如从主机D到路由器F，从路由器F到路由器G。链路层解决的就是如何将数据从D送到F。D和F属于同一个子网，F和G属于同一子网，所以链路层解决了在同一子网内发送数据的问题。同一子网内，两台设备可以直接连接，直接通信，跨网络就是在不同的子网之间不断发送，通过这些同子网的设备跨多个子网，而走哪些路线就是网络层IP协议决定的，怎样走是由链路层的MAC帧来决定的，这两层共同决定了如何将数据从一个主机跨网络送到B主机的能力，如果这两层有问题就让TCP来解决。

链路层属于驱动层，底层的网络有很多不一样的网络，网络的差异就体现在网卡、设备、软件驱动上，所以这个东西无法做到操作系统里。

2、认识以太网

以太网是一个局域网（子网）的技术标准，既包含链路层的内容，也包含了一些物理层的内容，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，以太网的网线必须使用双绞线。

3、认识MAC地址

局域网中，当来到消息时，每个主机都去检查是否是自己的信息，不是就丢掉，是就匹配上了。虽然两个主机都会认为在和对方通信，但其它主机也都知道一个主机发信息了。每个主机都有网卡，网卡有MAC地址，标准长度6个字节。

ether后面的一串就是mac地址。

4、以太网报文

MAC帧的报头是目的地址 + 源地址 + 类型 + CRC，有效载荷就是中间的数据，大小范围是46 ~ 1500字节，所以上层给的报文最多不超过1500字节，要超过46个字节，如果不够就填充PAD字段，实际上就填充一些垃圾数据。

报头部分，目的地址是MAC地址，源地址是发送方地址，都占6个字节，类型占2个，CRC校验码占4个字节。MAC帧的报头是定长报头，总共18个字节，有效载荷也有长度范围。类型是帧类型，表示数据类型，填的是0800，就是IP数据报，0806就是ARP请求/应答，8035则是RARP请求/应答。后两种原理相似，本篇只写ARP。

5、局域网通信原理

1、基本原理

假设主机ABCD，主机的mac地址假设为macABCD，路由器R，路由器也是局域网主机。主机A要给主机D发信息。

A的网络层发现A和D在同一子网内，在MAC帧的报文中，目的地址是macD，源地址是macA，类型是0800，数据是IP报文，以及CRC校验码。链路层将这个MAC帧报文发送到局域网中，BCDR各自的链路层都收到了这个MAC帧报文，比如主机C，C将MAC帧的报头和有效载荷分离，拿到报头这个结构体中的目的地址macD，发现不是macC，那么在链路层C就丢弃了这个报文，BR也是这样的操作，D也一样，不过D发现目的地址就是它自己的MAC地址，然后就交付给网络层，传输层，应用层，而其它几个，只有链路层知道这个报文，网络层及之上的都不知情。网卡中也可以设置一个混杂模式，不对报文的目标MAC地址进行认证。直接向上层交付，这也就是大部分局域网抓包软件的原理。要想不被抓包，在应用层对数据加密，因为其它层都是公开的代码。

D给A响应的时候，目的地址就是macA，源地址是macD，类型是0800，数据是IP报文，以及CRC校验码，然后发送到局域网，一样的过程，最终A得到了响应。

2、数据碰撞

局域网是共享的资源，有可能出现多个主机给多台主机通信，这时候会出现数据碰撞，网络都是光电信号，如果碰撞的话光波就会互相干扰，数据就不对了，所以局域网也叫碰撞域。任何时刻，只能有一台主机在给另一台主机发送数据帧。

为了预防这个问题发生，主机的网卡通过校验码来做碰撞检测，如果会发生碰撞就sleep上几秒，再重新发，避免碰撞。局域网内的所有主机都有这个机制，不过每个主机休息的时间不一样，所以就能错开发送；以及都在休息，没在休息的主机就可以发送了。所以局域网内主机越少越好，碰撞概率越低。现实中，很多人聚集在一起，或者像下班期间这样的网络使用高峰期，网络会变得卡，就是因为碰撞概率大了，很多设备都在丢包等待重发中。

如果要黑掉局域网，就发送大量垃圾数据，就有可能和所有主机碰撞，不过发送垃圾数据的主机得绕开以太网的驱动程序，让自己没有碰撞测试，通过某种方式直接去干扰局域网。

链路层也有重传，这是为了保证把数据发送到另一台主机。在OS角度，局域网是临界资源，因为一次只能让一个主机发送消息，其它都得等，碰撞检测和碰撞避免就是在保护临界资源的安全。而令牌环网有一些数据当作令牌，只有拿着令牌的主机才可以发送数据，发完后交给另一台主机，这台主机才能发数据，这个令牌就相当于互斥锁。

3、交换机

交换机工作在数据链路层，周围的设备也都在一个局域网内。假设局域网分为左右两部分，中间有交换机，左部分发生碰撞，交换机就不会把碰撞产生的垃圾数据传到右部分，不影响右部分的主机，这里交换机的作用就是划分碰撞域。

左部分正常交互，但数据有可能扩散到右部分，交换机也会收到这些数据就会丢掉，不会转发到右部分，减少右部分的碰撞概率。

一个区域内使用网络的设备很多时就得使用交换机。

4、ARP协议

在整个传输过程中，IP地址和目标MAC地址一直不变，源MAC地址一直在变。对方的IP地址是可以知道的，那么对方的MAC地址如何知道？

因为IP地址，目的MAC地址不变，底层网络的差异就会缩小。

ARP协议的主要功能是建立了IP地址和MAC地址的映射，工作在链路层，可以控制MAC帧报文的发送。MAC帧正常通信时直接将报文交给网络层，除非不知道对方的MAC地址才用ARP协议来获得。链路层有MAC帧和ARP层。

APR的工作流程是将IP地址发送到局域网内，对应的主机收到后返回带有自己的MAC地址的响应。

ARP报头

图中以太网首部就是MAC帧的报头，ARP总共28字节，存在于MAC帧的有效载荷里。以太网地址是MAC地址，如果不知道，就写成全F，这时候就是在局域网内的广播地址，帧类型是0806。硬件类型表明是网络类别，比如以太网，令牌环网，设为1就是以太网；协议类型是要转换的地址类型，也就是IP地址，写为0x0800…，硬件地址长度这里固定为6字节，因为是以太网的MAC地址，协议地址长度这里就固定为IPv4地址，所以是4字节，op为1表示ARP请求，为2是ARP应答，目的以太网地址为全F，表示不知道。

一个局域网内，任何一台主机都可能向别的主机发送ARP请求，收到其它主机发送的ARP请求，也都可以发送ARP应答。因此，一个主机可能既收到ARP应答，又收到APR请求。

还是之前的例子，好几台主机ABCDEF，MAC地址就是macB这样的形式。主机A是一台入口路由器，收到了一个IP报文，里面有目的IP：ipF。此时入口路由器要获取F的MAC地址，就构建一个ARP报文，除去以太网首部，填充剩下的部分，1，0800，6，4，1，macA，ipA，全F，ipF。将填充好的部分，也就是不包括上图的以太网首部的部分，拿着这个，去封装进MAC帧报文，先不管CRC校验和，MAC帧报头填充全F，macA，0806，有效载荷就是刚才构建的ARP报文，整个就构成一个MAC帧报文，发送到局域网中。

所有的主机都收到了这个MAC帧报文，都去分离报头和数据，看到目的MAC地址是全F，就交给ARP层，ARP层拿到除去报头的MAC帧的有效载荷，也就是之前构建的ARP报文，先看到op是1，就知道是请求，再看到目的IP地址是ipF，不是对应主机，那就在ARP层丢弃。当F收到并做同样的步骤后，发现是要询问的是自己的，F就知道A主机在广播询问我的MAC地址，于是构建ARP应答，1，0806，6，4，2，macF，ipF，macA，ipA，然后封装进MAC帧报文，报头是macA，macF，0806，然后F将ARP应答发送到局域网中，其它主机都能收到，但在链路层中的MAC帧层，没有去到链路层的ARP层，就能看到目的MAC地址是macA，不是自己就在MAC帧层丢弃。A也收到，在MAC帧层知道只发给自己的，又看到0806，于是交给ARP层，看到ARP报文，先看op，是2应答，所以就提取发送端以太网地址macF。

所以顺序就是，收到ARP报文后，先看op，因为主机在发送ARP请求后就忘记这码事，所以得先看看来者何人。所以ARP请求和ARP响应是相互独立的。为了防止碰撞，主机内会在得知结果后就把这个关系维护起来。ARP大量存在于各个子网之间的路由器之间，比如传输过程中有什么路由器换了，那就得ARP一下。局域网内要想知道各个主机的IP地址，比如在192.168.1.0子网内。0
位置最多变为255，所以192.168.1.1主机就全都发一遍请求，有应答的就说明对应IP地址有主机，也就拿到了这个主机的IP地址，然后在本主机中保存起来。

Windows下命令arp -a可以看到主机保存的MAC地址，也就是物理地址。想得到对端主机的MAC地址，要发送ARP请求，只需要发送IP协议往上层的任何一个报文即可；或者用ping命令，ping后面加上网址，可以测试网络连通性，会发送IP报文，并且必须给应答，在发ping之前，主机就会发送ARP报文。

主机之间在局域网内发送的单个数据帧体积越小越好。如果碰撞的话，数据帧更长，重发成本就更高。

5、RARP协议

ARP是地址信息协议，RARP是逆地址信息协议。RARP在知道MAC地址时找到IP地址，这个很简单，直接封装MAC帧报文，发送过去询问就可。

6、局域网中间人

在一个局域网内，ABCDE主机和路由器R，E可以和C发消息，E可以发消息到R，由R发到别的子网中。主机的IP地址是公开的，在应用层就知道了。IP地址知道了，就可以ARP找到MAC地址。ARP有缓存，用来维护最新的IP地址和MAC地址。

现在有中间人接入这个局域网，有ipM和macM。主机构建ARP请求时，可以作假，所以中间人可以构建一个ARP请求，表明IP地址是ipR，MAC地址是macM。中间人将ARP请求发给主机A，A的ARP缓存就以为主机R的MAC地址变了，ipR应当对应着macM，而不是之前的macR。之后A每次要发消息给路由器R，都会发给M而不是R。

中间人M给路由器R发送ARP请求，写明IP地址ipA，MAC地址macM。R会发送大量应答冲刷，防止应答丢失，保证应答发送成功。R收到假报文后，就改变了映射关系，将ipA和macM对应起来，这样每次R以为发送给A，其实发送给了M。

像这样的做法叫做ARP欺骗。

6、DNS（简单介绍）

域名解析系统。能把域名转为IP地址，在应用层工作，使用UDP协议来进行DNS请求。IP地址不利于互联网推广宣传，因为全是数字，所以出现域名。域名和IP地址都可以访问同一个网页。浏览器收到输入的域名后，向内置的域名解析服务器发送DNS请求，得到IP地址，再开始和厂商服务器交互。浏览器还会保存一些常见的域名和IP地址的映射关系。当上不了网时，有可能是域名解析服务器挂掉了。

但域名其实并不是大众使用的点，而是搜索引擎，所以需要搜索引擎去做域名。大众打开电脑，打开浏览器，在搜索框内输入内容就可以访问网页，浏览器就通过域名服务来找到相应的网页。

命令cat /etc/hosts，域名解析时会优先查看hosts文件的内容。

一级域名是.后的，比如com，edu，cn等。二级域名是中间的那部分，比如www.baidu.com，baidu就是二级域名。不同的一级域名对应的域名解析也会有所不同。

7、ICMP协议

ICMP在应用层，它可以让应用层协议绕过传输层，直接使用ICMP协议。网络传输中，IP协议只负责传输报文，IP协议不提供传输可靠性，并不知道是否丢包等问题。ICMP协议用来解决IP协议产生的问题，双方ICMP进行交流，如果有丢包对方就得发送报文告知。

确认IP包是否成功到达目标地址
通知在发送过程中IP包被丢弃的原因
ICMP基于IP协议工作
ICMP只能搭配IPv4使用，IPV6得用ICMPv6。

假如对方主机挂掉，发送方多次重发后，对端主机就会发送一个ICMP报文告知发送方出现的问题原因。ICMP既可以通知出错原因，也可以用于诊断查询。

1、报文

ICMP报文在IP报文的有效载荷中，就像ARP报文在MAC帧的有效载荷中。

ping命令是C/C++写的工作在应用层的软件，用的就是ICMP协议。发送路径上任何一个主机出问题，都需要给应答，就会被ICMP收到。发送出去的IP报文，报文中有一个TTL字段，一开始设为1，如果中间被丢弃，那么不能直接丢弃，要给应答，这样TTL逐渐增加，就知道一个主机到一个主机时需要多少个中间主机，也就是跳数。

ICMP没有端口号，因为端口号是传输层的内容。

2、traceroute命令

基于ICMP协议实现，能够打印出可执行程序主机，一直到目标主机之前经历多少路由器。

7、NAT技术

解决IPv4地址不足的问题。从运营商内网到公网，通过不断地LAN口和WAN口转换，就是NAT技术。之前已经写过，从内网一个设备发送出去，要能够转换到公网；从公网再回到内网时也要能转换回来。NAT路由器就是做转换工作。

1、基本过程

当内网一个设备发送请求时，有源IP地址和目的IP地址，NAT路由器对内网有LAN口，对公网有WAN口，请求到达NAT路由器时，源IP地址换成NAT路由器在公网的IP地址，目的地址不变，这就是从内网到公网的过程。

NAT路由器有一个映射表NAPT。从内网到公网会经过一次映射得到公网IP地址，回来的时候也会通过这个映射表来得到内网的源IP地址。

2、NAPT

内网内会有多个设备要访问一个公网的服务器，NAT在转化回来的时候要分清楚是哪个主机，主机的哪个进程。所以IP地址，端口号都得知道，NAT路由器其实甚至能工作到应用层。

图中可以看出，每个主机的源IP地址通过NAT路由器发送到公网时都会变成WAN口的IP地址，但端口号也会不同，所以就出现了上图灰框类似的映射表。IP地址和端口号都换就是因为有多个主机的多个程序在发送消息，需要给所有程序都返回应答。在NAT角度下，内网里就可以没有主机这个概念，而是看作一个个网络客户端进程，而公网里就是一个个网络服务器进程，无论是公网还是内网，ip + port就是它们唯一的进程ID。在一个内网和一个公网的交互过程中，两个网内的ID都是唯一的，放在一起，就是这组网络的唯一，所以NAT路由器就是将唯一做到了现实。

不过映射表中还维护了目的IP。这是因为防止有别的服务器发错信息，映射关系中有目的IP，就能保证接收的是目的服务器的信息，而不是哪个服务器都收。

家里设备上网时，经过的家用路由器，运营商路由器都使用NAPT。

3、缺陷

无法从NAT外部向内部服务器建立连接，转换表的生成和销毁都需要额外开销，通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开。

从外网访问到内网，外网可以发消息到和这个内网NAT路由器相连的网，通过这个网去访问内网。

8、代理服务器

正向代理：在客户端与服务器之间再加一个代理服务器，客户端发给这个代理服务器，代理服务器发给服务器，发送后，传回来的资源也经过代理服务器，代理服务器再发送给客户端，资源也会存在代理服务器，如果有客户端需要曾经某个客户端请求的资源，那么代理服务器就直接把这个资源给客户端，不需要再去访问服务器。正向代理服务器和厂商服务器之间还有路由器。正向代理可以起到缓存资源、提高访问效率的作用。正向代理需要认证，不能让所有人都可以访问，它只是一个区域的方案。正向代理也会过滤非法请求。

反向代理：一个代理服务器不可能面对太多客户端，所有就建立多个代理服务器，提供一样的服务，这些代理服务器就是集群。但这需要客户端发送时要挑选代理服务器吗？这个任务再叫一个代理服务器去做，它通常都是高并发服务器，用来接收所有客户端的请求，然后再分发给集群里的各个代理服务器，要让这些服务器的负载达到均衡。只接受请求并发送出去，所以它的负担不算重，但也需要高并发。这样的高并发的代理服务器就是反向代理服务器。每个集群都有反代理。当有多个集群时，不需要再用一个服务器来接收所有请求，然后分发给所有集群。当客户端要访问某个资源时，每个集群的反代理都有自己的IP地址，所以就通过平衡各集群压力，让这个请求去合适的反代理服务器，再发送到集群中，通过代理服务器去访问资源。

NAT和代理服务器的区别：
NAT解决IPv4地址不足的问题，代理服务器贴近具体应用，比如通过代理来，迅游加速器也是利用了代理服务器
NAT工作在应用层，直接对IP地址进行替换，代理服务器工作在应用层1
NAT一般在局域网的出口部署，代理服务器可以在局域网做，也可以在广域网，也可以跨网
NAT一般集成在防火墙、路由器等硬件设备上，代理服务器则是一个软件程序，需要部署在服务器上

代理服务器广泛用于（广域网中的代理）和负载均衡（局域网中的代理）中。

结束。