网络和Linux网络_11(数据链路层)以太网(MAC帧)协议+局域网转发+ARP协议

2023-12-13 15:35:18

1. 以太网协议

1.1 MAC地址

1.2 以太网帧格式

1. 以太网(MAC帧)协议

网络层的IP协议并不是将数据报直接发到了网络中，而是将数据报继续向下交付，交付到了数据链路层。

如上图所示，每一个红色的圈就是一个局域网，假设现在主机A要将数据发送到主机D，这个数据要经过多个局域网，要一跳一跳到达主机D。

所以说网络传输的本质，就是多个局域网（子网）转发的结果。

数据链路层负责数据在一个局域网中的传送，我们主要研究数据链路层的以太网协议，也被叫做MAC帧协议。

一个局域网中有多台主机，这些主机之间通过以太网等网络连接，进而可以直接通信

如上图所示便是局域网通信示意图，多台主机处于一个局域网中，通过以太网连接，主机名称从MAC1~MAC7，其中MAC1是该局域网的入口路由器，也可以看成是一台主机，因为它也有网卡，具有网络通信的能力。

“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。
以太网规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等，而且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。

不管是什么类型的网络，都是用来组成局域网进行网络通信的。

1.1 MAC地址

每台主机都至少有一张网卡，每个网卡都有一个唯一的序列号sn，这个序列号被叫做MAC地址（Medium Access Control媒体访问控制），该地址全球范围内具有唯一性。

MAC地址是一个6字节的十六进制序列号，形如1A:2B:3C:4D:5E:6F。

我们不是已经有了IP地址了，为什么还要有MAC地址呢？

IP地址描述的是整个数据传送过程中的起点和终点。
MAC地址描述的是数据传送过程中，每一跳（一个区间）的起点和终点。

IP地址指引着方向，MAC地址则是投石问路，一步一步来，比如现在要从北京到上海，路途中会经过石家庄，南京，苏州…等地，这个过程中，上海就相当于IP地址，途中经过的城市就相当于MAC地址。

具体在网络中，IP地址就是目标主机，MAC地址就是两个相连路由器，只有一跳一跳经过多个路由器，数据才能被送到目标主机。

MAC地址严格来说并不需要全球唯一，只需要保证同一个局域网中的唯一性即可。

但是制造厂商在制造的时候将其设置成了全球唯一，主要是因为网卡制造厂商非常多，无法保证不同厂商制造的网卡不会出现在同一个局域网中，所以就直接一刀切了，让MAC地址成为全球唯一。

不同厂商可用的MAC地址参照了子网划分的方式，保证不同厂商之间的MAC地址不会重复。

1.2 以太网帧格式

上图所示MAC帧协议格式，与之前的TCP/UDP以及IP协议相比，简单了许多，报头只有三个字段：

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的，不可以修改。
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP，也就是向上交付时要交付的协议类型。
帧末尾是CRC校验码，用来校验数据是否正确，和校验和是一样的作用。

如上图，类型0800表示要分用给IP协议，0806表示要分用给ARP协议，8035表示要交给RARP协议，后两个协议在后面会介绍。

MAC帧协议同样要面临解包和分用的问题，它非常的简单粗暴，采用的是定长报头的方式。

目的MAC地址是6字节大小，源MAC地址也是6字节大小，帧协议协议类型字段2字节大小，末尾校验和CRC是4字节大小，有效载荷的大小是46~1500字节。

所以在解包的时候，从整个数据帧读取前14个字节，然后再从最后读取4个字节，剩下的就是有效载荷，如此就完成了解包过程。

在分用的时候，根据帧协议类型交给对应的上层协议即可，如0800就交给网络层的IP协议去处理有效载荷。

2. 局域网转发原理

如上图所示，主机MAC1发了送一个数据帧给MAC7，当数据从IP层交给数据链路层后，数据链路层给数据报加上了报头，成为了数据帧，然后发送出去，这次是真正的发送出去，数据帧在网线中跑。

而局域网中存在多台主机，这些主机都和以太网相连，都能够看到以太网，故而也能看到以太网中跑的数据。

网络通信本质上就是进程间通信，而网络就是临界资源。

所以局域网中的所有主机都能收到主机MAC1发送的数据，每台主机在收到数据后，数据链路层会对比数据帧报头中的目的MAC地址，如果和自己的MAC地址相同，则进行解包分用交给下一层。

如果数据帧报头中的目的MAC地址和自己的MAC地址不符，那么直接在数据链路层就丢弃该数据，上层根本不知道曾经有过这个数据。

2.1 数据碰撞和交换机

上图中，主机MAC7在数据链路层对比发现报头中的目的MAC地址和自己的MAC地址相同，所以进行解包分用交付给网络层，然后再逐层交付到应用层。

应用层在处理完以后将响应封装并向下交付，最终交付给数据链路层，此时数据链路层将MAC1作为目的地址，将MAC7作为源地址，打包成数据帧后发送到以太网中，数据帧如下图：

同样的，以太网中的所有主机的数据链路层都能收到MAC7的响应数据，只是发现目的地址和自己不符丢弃了，最终只有主机MAC1接收了该响应，并解包分用给上层。

既然主机MAC1可以发送数据，那么其他主机也可以发送数据。而以太网又是一个共享资源，多台主机同时向以太网中发送数据也会导致"数据不一致问题"，体现在以太网中就是数据碰撞。

数据在以太网中是以光电信号的形式传输的，也就是一段波。
当不同的光电信号发生碰撞时，就会产生波的叠加或者衰减，导致原本的光电信号发生变化，进而导致数据传输出错。

而令牌环网就是为了解决数据碰撞产生的，在局域网中存在一张令牌，只有持有令牌的主机才能向网络中发生数据，就像我们多线程中的互斥锁一样。

但是主流的网络仍然是以太网，以太网采用碰撞检测和碰撞避免的算法来避免碰撞带来的影响。

假设主机MAC1发送了一个数据帧，主机MAC7也发送了一个数据帧，互相发送给对方，这两个数据帧在以太网中发生了碰撞。

主机MAC1收到主机MAC7发送的数据后，发现CRC校验值和主机MAC7封装数据帧时的值不一样。说明该数据发生了碰撞，而主机MAC1自己刚刚也发生了一个数据帧，所以为了避免再次碰撞，主机MAC1等待一段时间后再重发刚刚的数据。主机MAC7采用同样的策略。这就是碰撞检测和碰撞避免算法的大概原理，有兴趣的可以自行研究。

如果此时主机MAC2不断向局域网中发送垃圾数据，并且不执行碰撞检测和碰撞避免，那么就会导致其他主机无法发送数据，一直处于碰撞检测和碰撞避免的状态。

交换机：

如上图所示，一个局域网中存在很多台主机，此时向网络中发送数据的主机也就多了起来，进而导致发生碰撞的概率增加。只要主机足够多，概率性事件就会成为必然事件。

所以在比较大的局域网中（通常情况下局域网都不会很大），会有交换机的存在，如上图蓝色框所示，它将局域网分成了两部分，交换机左边是一部分，右边是一部分。

假设左边的主机MAC1向右边的主机MAC100发生数据，这个数据在局域网中传送时，会先经过交换机，由交换机转发给主机MAC100。如果主机MAC1向主机MAC2发生数据，则不通过交换机转发，直接发送，同理交换机右边也是一样的。

当主机MAC1向主机MAC100发送数据时，数据帧在左边部分发生了碰撞，那么当数据经过交换机时，交换机便不再转发这个数据，而是直接丢弃。

交换机能识别局部碰撞，对碰撞数据不做转发。
交换机将局域网划分成了多个碰撞域，从而减少了局域网中的数据碰撞。

2.2 最大传输单元MTU

对于以太网来说，既然会存在碰撞，那么发生的数据帧是长了好还是短了好呢？

太长和太短都不行，太短会导致数据帧无法校验，因为CRC校验是需要数据帧中有一定数量的有效载荷的，所以MAC帧协议规定，有效载荷的长度要大于等于46字节。如果最终交付到数据链路层的有效载荷太小，小于46字节，MAC帧协议会在后面补充到46字节。

如果太长的话，数据在以太网中传输的时间就会变长，从而增加了数据碰撞的概率，也不合适，所以MAC帧协议规定有效载荷的最大值是1500字节，也被叫做以太网的最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit）。

不同的网络类型有不同的MTU。
如果IP层的数据报大于MTU了，则需要分片，然后再交给数据链路层。
不同数据链路层的标志MTU也是不同的。

MAC帧的有效载荷在46~1500字节的范围内也会发生碰撞啊，这样规定貌似并没有解决这个问题。

数据在以太网中是以光电信号的形式传输的，只要有效载荷在规定范围内，那么碰撞的概率就很小。光的传播速度是非常快的。

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，将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签，每个小包IP协议头的16位标识（id）都是相同的。

每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片, 第3位是更多分片标志位，在上篇文章中有详细介绍。

到达对端时再将这些小包按顺序重组，拼装到一起返回给传输层，一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。

但是IP层不会负责重新传输数据，是由TCP负责的，当TCP没有收到对方的确认应答时就会触发超时重传。

MTU对IP协议的影响就向上图快递类型对发货量的影响。发货人在东京使用的是FDDI快递，该快递一次运输的快递上限是4200kg，发送方在IP报头中填好IP地址等内容后交给快递公司发往仓敷。

快递首先从东京发往了大阪，快递重量是4200kg，在大版换成了以太网快递公司，该快递一次运输的快递上限是1400kg，所以原本4200kg的快递需要分成三趟去发。

最终在仓敷的收件人收到的快递是3个1400kg的包裹，将这几个包裹组装后得到一个4200kg的包裹。

这个过程中，FDDI和以太网是两个不同类型的局域网，所以MTU也不同，将快递看成是数据，从东京到仓敷的过程需要跨越两个局域网，要通过两个局域网的转发。

如上图网络传输示意图中，从东京到大版的局域网中，MTU是4200，从大版到到仓敷的局域网中，MTU是1400，所以数据原本4200的数据到了大版路由器以后，被拆分成了3个1400的数据发往仓敷。

路由器有数据链路层和网络层俩层，网络层是主要就是IP协议，能够屏蔽网络底层的差异。
路由器有将IP数据报进行分片的能力。

至于具体是如何分片和组装的，上篇博客讲解过了。从上面这个例子中可以看出MTU的大小决定着IP协议是否进行分片，不同局域网有着不同的MTU，而路由器可以针对不同MTU采取相应的对策。

MTU对UDP协议的影响：

如上图所示，发送端主机向MTU为4352的FDDI局域网中发送数据，该数据帧中，包含4324字节的UDP有效载荷，8字节的UDP报头，20字节的IP报头。

当局域网中的路由器接收到该数据帧后，发现接收主机所在的局域网为MTU = 1500的以太网，所以在路由器中将IP数据报进行分片，如上图所示，分成了三片，然后发送给接收主机。

接收主机接收到以后，进行组装，然后将完整的数据交付给上层。

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而且UDP没有重传机制，这就意味着这个数据丢了。

MTU对UDP的影响和TCP类似，只是对于UDP丢包时的影响更加严重。

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的单个数据报有效载荷的最大消息长度，称为MSS（Max Segment Size，最大段尺寸）。
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）。

如上图所示便是MSS和MTU之间的关系，由于IP报头和TCP报头长度固定，所以MTU的大小直接关系到MSS的大小。

使用ifconfig可以看到当前机器所在局域网的MTU：

如上我的Linux机器所在局域网的MTU = 1500字节。

3. ARP协议

Address Resolution Protocol 地址解析协议

如上图所示，主机A向主机B发送数据，数据一跳一跳经过多个局域网转发，最终到达了主机B所在的局域网。

主机将数据交付给下一跳时，下一跳可能是主机，也可能是路由器节点。前提是该数据帧一定被网络层路由过，所以才能知道下一跳要去哪里。

当数据帧第一次到达主机B所在的局域网入口路由器时，路由器就迷茫了，路由器的数据链路层解包分用后，只能从网络层中得到主机B的IP地址，但是在局域网中是通过MAC地址来识别主机的，但是路由器并不知道主机B的MAC地址。

要有一个过程，让路由器设备认识主机B，获取主机B的MAC地址。

此时就用到了ARP协议，ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议：

如上图所示，ARP协议处于数据链路层，MAC帧协议在分用的时候，可以将有效载荷分用给ARP协议，PARP协议，还有网络层的IP协议。

前面讲解MAC帧协议格式的时候，报头中的协议类型字段，0800表示IP协议，0806表示ARP协议，8035表示RARP协议。

3.1 ARP协议格式

如上图所示便是ARP协议的格式，它的长度是固定28字节，且没有有效载荷。

硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，通常情况下都是1，相当于一个固定参数。
协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址，通常情况下都是这个值，也相当于一个固定参数。
硬件地址长度对于以太网地址为6字节，也相当于是一个固定参数。
协议地址长度对于和IP地址为4字节，也相当于是一个固定参数。
op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。
发送端以太网地址和发送端IP地址，以及目的以太网地址和目的IP地址，顾名思义，不解释。

ARP协议的数据也并不是直接发送到局域网中，而是交付给MAC帧协议进行封装，然后再发送到局域网中：

ARP协议被交付给MAC帧协议后，给ARP协议封装了报头，如上图以太网首部所示。

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次。
对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。

3.2 模拟APR协议工作过程

ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系：

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MAC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。

因此在网络通信前必须通过ARP协议获得目的主机的MAC地址，假设下图IP1要给IP7数据：

如上图所示，自己稍微填了报头，主机MAC1在收到一个数据帧以后，它只能从IP协议中找到目标主机的IP地址，并不知道目标主机的MAC地址。?

所以主机MAC1先构建一个ARP请求，其中硬件类型，协议类型，两个长度字段都是固定参数，op字段填1，表示这是一个ARP请求，发送端就是自己，所以发送端MAC地址为MAC1，发送端IP地址为IP1，目的MAC地址并不知道，使用0xFFFFFFFFFFFF（全1），目的IP填IP7。

然后交给MAC帧协议封装，MAC帧首部中MAC目的地址并不知道，所以使用0xFFFFFFFFFFFF填充，源MAC地址就是自己的MAC1，因为这是一个ARP请求，所以协议类型为0806，然后将这个数据帧发送出去。

局域网中，主机号都是1的IP地址是一个广播地址，如192.168.1.255。
发送给广播IP地址的数据帧，局域网中的所有主机都要接收并且进行处理。
正常的数据帧其他主机也能看到，但是在数据链路层就丢弃了，而广播地址的不会丢弃，会交付给上层做进一步处理。

主机MAC1广播了这个数据帧后（因为以太网目的地址不知道，所以是广播），局域网中的所有主机都接收这个数据帧，首先在数据链路层发现这个数据帧中的MAC目的地址是0xFFFFFFFFFFFF，它无法处理，所以解包后根据帧类型0806交付给了上面的IP层。

IP层拿到ARP数据以后，首先看op字段（不考虑固定参数），发现该字段的值是1，说明这是一个ARP请求，然后再看目的IP地址和自己主机的IP地址是否相符。

如果不符则直接抛弃，不作响应，如果相符则构建响应。此时其他主机都将这个ARP请求抛弃了，只有主机MAC7发现目的IP地址和自己的IP地址相符，都是IP7，说明这是有人要获取它的MAC地址。

主机MAC7构建ARP响应：

此时主机MAC7知道这是给主机MAC1的ARP响应（MAC1就知道了），将对应字段填充好，此时是一个ARP响应，所以op字段是2，其他字段这里不解释。然后交给MAC帧协议进行封装。

MAC帧协议中将头部中的目的MAC地址和MAC源地址，以及帧类型填充为0806后，发送给主机MAC1。

看到上图，此时局域网中的所有主机仍然能看到这个数据帧，但是在数据链路层对比时发现目的MAC地址是MAC1，所以都将其抛弃了，不再向上分用给IP层。

主机MAC1收到这个数据帧后，通过对比自己的MAC地址和数据帧中的目的MAC地址，发现这是给自己的，所以进行解包，然后根据帧类型0806将有效载荷分用给ARP协议。

ARP协议首先看op字段，发现这是一个ARP响应，说明这是自己曾经要获取MAC地址请求的响应，然后将发送端的MAC地址MAC7和发送端的IP地址IP7取出来，放入ARP缓存表中。

然后在将IP层的数据交给MAC帧协议进行封装，按照ARP缓存表中的映射关系填充报头，将MAC7填到目的MAC地址帧，再发送出去给主机MAC7。

此时主机MAC1就能成功将数据准确的发送给主机MAC7，成功完成网络通信。

每个主机在收到ARP数据以后，必须先看op字段。通过op字段可以区分这是别人向自己发起的ARP请求，还是自己曾经发起ARP请求的响应。

ARP协议虽然处于数据链路层，但是它的字段内容却涉及到数据链路层（MAC地址）和网络层（IP地址），所以说它工作在数据链路层和网络层之间。

3.3 ARP缓存表

通过指令arp -a可以查看当前机器上的ARP缓存表：

这里没有操作，所以缓存表内容很少，实际就是每一个IP地址都对应一个MAC地址，这些主机都位于一个局域网内，根据缓存表的对应关系就可以在IP层路由后准确的将数据发送到指定MAC地址处的主机上。

每一个节点都会有这样的一个ARP缓存表。
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。

我们知道，在子网划分中的规则下，只有入网的设备才有IP地址，如果某一个主机断网很久了，另一台新主机使用这个IP地址，在其他主机给这个新主机发送数据的时候，ARP缓存表中的MAC地址仍然是旧主机的MAC地址，所以这台新主机收不到数据。

所以，ARP缓存表必须每隔一段时间就更新一次，如果是第一次给某台主机发送数据，则必须先进行ARP请求获取MAC地址。

在MAC协议帧类型中，还有一个8035的RARP协议，这是一个反向的ARP协议。

有时候发送方主机可能会只知道对方的MAC地址，而不知道对方的IP地址，此时就发送一个RARP请求，获取目标MAC地址主机的IP地址。都已经知道源MAC地址和目的MAC地址了，所以这个过程非常简单。

RARP协议使用的情况非常少，局域网中大部分跑的还是使用ARP协议。

对于数据链路层，重点理解数据帧在局域网中是如何传送的，局域网中的主机又是如何处理数据帧的，以及如何通过ARP协议获取目的主机的MAC地址，进而建立ARP缓存表的。

4. 重看TCP/IP四层模型

上图就是主机A给主机B发送数据的整个网络协议栈的主脉络。

主机A：

用户在应用层写好数据以后，通过HTTP或者HTTPS协议封装，将报文交付给传输层的TCP或者UDP协议。

如果是使用TCP协议，则报文被先放到了发送缓冲区中，操作系统在合适的时候将其封装并交付给网络层IP协议。如果使用的是TCP协议，则将报文封装并直接交付给网络层的IP协议。

网络层的IP协议在收到数据段后再将其封装，在IP报头中填充目的IP，源IP等字段，然后将数据报交给数据链路层的MAC帧协议。

路由器：

MAC帧协议将数据帧通过局域网交给下一跳路由器，路由器的数据链路层收到数据帧后进行解包分用给上层网络层的IP协议，IP层根据目的地址进行路由，然后再将新的数据报封装重新交给数据链路层。

MAC协议再将数据报交给下一跳路由器，如此往复，最终将数据帧交到了目标主机所在的局域网路由器处。该路由器根据ARP缓存表中的映射关系，将数据发送给目标IP对应的MAC地址处的主机。

主机B：

主机B的数据链路层收到数据后，通过对比发现MAC帧报头中的目的MAC地址和自己的MAC地址相符，所以进行解包，然后根据帧类型的0800将有效载荷分用给网络层的IP协议。

IP协议发现该数据报中的目的IP地址和自己的相符，所以进行解包，去掉IP报头，根据报头中的协议类型将有效载荷分用给传输层的UDP或者TCP协议。

传输层收到数据段后，将报头解包，并且根据报头中的目的端口号，将有效载荷交给应用层的HTTP或者HTTPS协议。

应用层收到报文后，进行解包，将报头和有效载荷分离，对发送过来的数据进行处理。

这就是依靠协议栈的整个网络通信过程，每一层中的细节都有对应的文章在详细讲解，这里仅仅是一个宏观上的描述。

本篇完。

对于整个网络通信的过程便讲解完毕了，虽然讲解的协议不多，但是这些都是每一层中最重要的协议。网络是非常复杂的，充斥着多种多样的协议和规则，有兴趣可以继续深入了解。

下一篇还有一些收尾的概念，然后就是高级IO和Sock编程及代码了。

下一篇：网络和Linux网络_12（网络其他协议和技术）DNS+ICMP+NAT+代理服务器。

文章来源:https://blog.csdn.net/GRrtx/article/details/133900504
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