Linux网络编程: 以太网帧Frame/ARP/RARP详解

一、TCP/IP五层模型

物理层（Physical Layer）：物理层是最底层，负责传输比特流（bitstream）以及物理介质的传输方式。它定义了如何在物理媒介上传输原始的比特流，例如通过电缆、光纤或无线传输等。
数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层位于物理层之上，负责在直接相连的节点之间传输数据帧（Frame）。它将比特流组织成帧，并提供数据的可靠传输、差错检测和纠正等功能。常见的协议包括以太网（Ethernet）和Wi-Fi。
网络层（Network Layer）：网络层处理分组（Packet）的传输和路由，负责将数据从源主机传输到目标主机。它定义了逻辑地址（如IP地址）和路由选择算法，并通过Internet Protocol (IP) 进行数据的分组、定址和转发。
传输层（Transport Layer）：传输层提供端到端的可靠数据传输服务，负责将数据从发送方传输到接收方的端口。它通过传输协议（如TCP和UDP）提供了连接管理、流量控制、差错检测和纠正等功能。
应用层（Application Layer）：应用层是最高层，负责处理特定应用程序之间的通信。它包括各种应用协议，如HTTP、FTP、SMTP和DNS等，用于实现不同应用程序之间的数据交换和通信。

OSI七层网络模型

二、以太网

以太网是应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网在局域网各种技术中占统治地位的原因:

造价低廉(以太网网卡不到100块);
是应用最广泛的局域网技术;
比令牌环网、ATM网便宜,简单;
满足网络速率要求:10Mb/s~10Gb/s.

以太网的两个标准：

DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
IEEE 802.3 是第一个 IEEE（电气电子工程师学会）的以太网标准。
DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为"以太网"。
严格说来，"以太网"应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。

为了通信的简便，以太网提供无连接,不可靠的服务

无连接：发送和接收方之间无"握手过程"。
对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责。
这样做的理由是局域网信道的质量很好，信道质量产生差错的概率很小。

也就说：

以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

三、MAC地址

MAC地址（英语：Media Access Control Address），直译为媒体存取控制位址，也称为局域网地址（LAN Address），MAC位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的位址。

MAC地址是网络设备的唯一识别码，用于在局域网中确定设备的身份，该地址全球范围内具有唯一性。

MAC地址的长度为48位，即6个字节。其中前3个字节是OUI（Organizationally Unique Identifier），由IEEE分配给不同的厂家，后3个字节由厂家自行分配。

MAC地址通常表示为12个16进制数，每2个数之间用冒号隔开，例如：09:2F:20:3A:5C:8D。

令牌环和以太网等 LAN 技术使用 MAC 地址作为其物理地址，但有些网络 (AppleTalk) 不使用 MAC 地址。

已经有了IP地址，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。

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。

单站地址，组地址，广播地址

IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。

当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。
当 I/G 位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。

当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 223 个单个站地址和 223 个组地址。

所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

全球管理与本地管理

IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为 G/L 位，表示 Global / Local。

当 G/L 位 = 0 时，是全球管理（保证在全球没有相同的地址），厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。

当 G/L 位 = 1 时，是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

四、以太网帧Frame

以太网协议工作在数据链路层，它用作数据传输的格式叫做Frame, 以太网帧，也叫MAC帧。

4.1 以太网帧类型

目前共有4种类型的以太网帧格式：

Ethernet Ⅱ以太帧

即DIX 2.0，是Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准帧格式，已成为事实上的以太网帧标准。
Novell Netware 802.3 Raw以太帧

Novell Netware 802.3 Raw帧是Novell在1983年公布的专用以太网标准帧格式，其对IEEE 802.3的数据字段进行了专门分隔，以便传输NetWare类型的数据。
IEEE 802.3 LLC以太帧

这是1985年由IEEE正式发布的802.3标准，由Ethernet V2发展而来。主要是加入了LLC控制字段所以又叫802.3 LLC。
IEEE 802.3 SNAP以太帧

这是1985年IEEE为了保证在802.2 LLC上支持更多的上层协议，同时更好地支持IP协议而发布的标准。后来为解决Ethernet II与802.3的兼容问题推出了折中的SNAP格式。

总的来说，Ethernet II原本只是几家公司合伙制定的标准，802.3是IEEE发布的正式国际标准，但由于历史原因Ethernet II成了事实上大家都遵循的标准。

最初流行的Ethernet Ⅱ帧第三个字段为帧类型，也没有定义帧长度字段。后来随着IEEE 802.3帧的发布，为了允许一些使用以太II版本的数据报和一些使用802.3封装的最初版本的数据包能够在同一个以太网段使用，以太类型值必须大于等于1536(0x0600)。这个值比802.3数据包的最大长度1500byte (0x05DC)要更大。因此如果这个字段的值大于等于1536，则这个帧是以太II帧，而那个字段是类型字段。否则(小于1500而大于46字节)，他是一个IEEE 802.3帧，而那个字段是长度字段。1500～1536(不包含)的数值未定义。

4.2 Ethernet II以太帧

Ethernet Ⅱ帧，也称为Ethernet V2帧，是如今局域网里最常见的以太帧，是以太网事实标准。
Ethernet II也是目前使用最为广泛的帧格式也在事实上成为以太网的帧标准。

源地址，6个字节。发出数据包设备的物理地址(MAC地址)，长度是48位，是在网卡出厂时固化的，不可以修改。
目的地址，6个字节。接收数据包设备的物理地址。
帧协议类型，2个字节。该字段有三种值，也就是向上交付时要交付的协议类型：
- 0x0800 对应IP
- 0x0806 对应ARP
- ox0835 对应RARP
有效载荷。有效载荷的大小是46~1500字节。
CRC校验码，4个字节。处于帧末尾，用来校验数据是否正确，和校验和是一样的作用。

4.3 IEEE802.3帧

可以认为Novell Netware 802.3 Raw以太帧、IEEE 802.3 LLC以太帧、IEEE 802.3 SNAP以太帧都遵循以下的一个框架结构。

Length字段。定义了Data字段包含的字节数;
逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)

由目的服务访问点DSAP(Destination Service Access Point)、源服务访问点SSAP(Source Service Access Point)和Control字段组成;
SNAP(Sub-network Access Protocol)由机构代码(Org Code)和类型(Type)字段组成。Org Code三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet_Ⅱ中的Type字段相同；

LLC和SNAP共占用了Data字段的8个字节;

当DSAP和SSAP都取特定值0xff时，802.3帧就变成Netware-Ethernet帧，用于承载Netware类型的帧；

当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时，802.3帧就变成Ethernet_SNAP帧，用于传输多种协议；

DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。

4.3.1 802.3 Raw以太帧

    +-----------+-----------+-----------+----------+------------------+----------+
    |   DMAC    |   SMAC    |   Length  |  0xFFFF  |        Data      |   FCS    |
    |  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  2 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |
    +-----------+-----------+-----------+----------+------------------+----------+

字段	长度	含义
DMAC	6字节	以太网帧的目的MAC地址，指明帧的接收者。
SMAC	6字节	以太网帧的源MAC地址，指明帧的发送者。
Length	2字节	指后续数据的字节长度，但不包括FCS字段。
Data	44~1498字节	数据字段，标识帧的负载（可能包含填充位）。数据字段的最小长度必须为44字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输1字节信息也必须使用44字节的数据字段。如果填入该字段的信息少于44字节，该字段的其余部分也必须进行填充。数据字段的最大长度为1498字节。以太帧的长度必须为整数字节，因此帧的负载长度不足整数字节，需插入填充字段以保证数据帧的长度为整数字节。
FCS	4字节	帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。

802.3 RAW使用Length字段代替了type，又从Data里挪了2个字节赋值成0xFFFF。前面说过802.3 RAW是Novel公司在IEEE还未正式推出802.3时，在其临时版本上自己推出的一个版本。在802.3临时版中使用Length字段代替了type字段，Novel公司沿用了这个设定，但后续802.3正式发布时又从Data中挪了3个字节用作DSAP、SSAP、Control字段（各一个字节，下面会讲到）。为了与正式版的802.3做兼容和区分，RAW就把DSAP和SSAP这两个字段赋值成0xFFFF，同时Control字段还是划回到Data里去。

4.3.2 IEEE 802.3 LLC以太帧

+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+------------------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |   Length  |   DSAP   |   SSAP   |   Ctrl   |        Data      |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  1 Bytes |  1 Bytes |  1 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+------------------+----------+

字段	长度	含义
DMAC	6字节	目的MAC地址，该字段标识帧的接收者。
SMAC	6字节	源MAC地址，该字段标识帧的发送者。
Length	2字节	指后续数据的字节长度，但不包括FCS字段。
DSAP	1字节	目的服务访问点，长度为1字节，取值范围是0x00~0xFF。
SSAP	1字节	源服务访问点，长度为1字节，取值范围是0x00~0xFF。
Ctrl	1字节	该字段值通常设为0x03，表示无连接服务的IEEE 802.2无编号数据格式。
Data	43～1497字节	数据字段，标识帧的负载（可能包含填充位）。
FCS	4字节	帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。

4.3.3 IEEE 802.3 SNAP以太帧

+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+---------+---------+------------------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |   Length  |   DSAP   |   SSAP   |   Ctrl   |   OUI   |   Type  |        Data      |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  1 Bytes |  1 Bytes |  1 Bytes | 3 Bytes | 2 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+---------+---------+------------------+----------+

字段	长度	含义
DMAC	6字节	目的MAC地址，该字段标识帧的接收者。
SMAC	6字节	源MAC地址，该字段标识帧的发送者。
Length	2字节	指后续数据的字节长度，但不包括FCS字段。
DSAP	1字节	目的服务访问点，该值固定为0xAA。
SSAP	1字节	源服务访问点，该值固定为0xAA。
Ctrl	1字节	该字段值通常设为0x03，表示无连接服务的IEEE 802.2无编号数据格式。
SNAP-ID	5字节	由OUI和Type两部分组成。
OUI	3字节	3字节的组织唯一标识符（Organizationally Unique Identifier），其值通常等于MAC地址的前3字节，即网络适配器厂商代码。
Type	2字节	标识以太网帧所携带的上层数据类型。根据RFC1042标准，OUI使用一个特殊的数值0x00-00-00，当这个字段为0x00-00-00时，Type字段与Ethernet II封装中的Type具有相同的含义。
Data	38～1492字节	数据字段，标识帧的负载（可能包含填充位）。数据字段的最小长度必须为38字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输1字节信息也必须使用38字节的数据字段。如果填入该字段的信息少于38字节，该字段的其余部分也必须进行填充。数据字段的最大长度为1492字节。以太帧的长度必须为整数字节，因此帧的负载长度不足整数字节，需插入填充字段以保证数据帧的长度为整数字节。
FCS	4字节	帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）是为接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧。FCS只是通用叫法，具体的FCS还可以细分多种校验方法。在以太帧中，FCS通常采用循环冗余码校验CRC（Cyclical Redundancy Check）。

SNAP是为了将802.3 LLC与Ethernet II进行兼容，兼容方式是保留Length、DSAP、SSAP、Control这4个字段，同时再从Data里挪5个字节用作SNAP字段。而SNAP字段又由2个部分组成，前3个字节是org code，其含义是组织代码，其实就是MAC地址里前3个字节，所以其实没啥用。后2个字节是type与Ethernet II的type字段一模一样。其实也是通过这个SNAP里的type字段与Ethernet II帧兼容。

为了与LLC帧进行区别，DSAP、SSAP的值固定为0xAA，Control的值固定为0x03。

4.4 IEEE 802.1Q标签

IEEE 802.1Q标准对以太帧格式进行了修改，在源MAC地址字段和协议类型字段之间加入4字节的802.1Q Tag。802.1Q Tag也称为VLAN Tag，带有VLAN Tag的以太帧称为VLAN帧。

所有四种以太帧类型都可包含一个IEEE 802.1Q选项来确定它属于哪个VLAN以及他的IEEE 802.1p优先级(QoS)。这个封装由IEEE 802.3ac定义并将帧大小从64字节扩充到1522字节(注：不包含7个前导字节和1个字节的帧开始符以及12个帧间距字节)。

            +-----------+----------+--------+-----------+
            |   TPID    |   PRI    |  CFI   |    VID    |
            |  2 Bytes  |  3 Bits  | 1 Bits |  12 Bits  |
            +-----------+----------+--------+-----------+
            |                                           |
                |                                   |
                    |                          |
                        |              |
+-----------+-----------+--------------+---------------+------+-----------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |  802.1Q Tag  |  Length/Type  |       Data       |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |   4 Bytes    |    2 Bytes    |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+--------------+---------------+------+-----------+----------+

4字节的VLAN TAG 包含以下参数：

2个字节的标签协议标识：0x8100
2个字节的标签控制信息：
- 用户优先级：3 位，取值范围0~7，值越大优先级越大。
- CFI规范格式标识符：1位，0代表帧VLAN正确，1代表VLAN错误
- VID：12位，标识VALN ID，也就是VLAN号

4.5 最小帧长

以太网帧最小帧长为64B------有效载荷46字节，这是信号从争取信道到占领信道的最短时间。

凡是小于64B的帧，都视为被冲突破坏的信号，应当丢弃。如果要发送小于64B的帧，需要MAC子层在数据字段后填充字段。

这个长度是由CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）算法以及最大传输距离的需求共同决定的。这样的设计可以避免在网络中发生不必要的冲突，确保数据包能够在网络中正确传输。如果数据包太短，例如小于64字节，那么它可能在发送过程中被网络中的其他设备误解为冲突信号，从而导致数据丢失或重传。因此，最小帧长有助于区分由冲突引起的短帧和正常传输的有用帧，从而保证数据传输的效率和可靠性。

规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位，因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙，或冲突时槽。512位＝64字节，这就是以太网帧最小64字节的原因。

4.6 最大帧长

以太网的最大帧长度为1518字节（不包括帧校验序列），其中包括最大的数据帧长度为1500字节和额外的帧头和帧尾。最大帧长度的设置是为了避免单一主机占用信道时间过长。在不同的网络环境下，能够适应不同的数据传输需求和网络负载。

MAC帧协议规定自己的有效载荷不能超过1500字节（由MTU控制------最大传送单元，可以修改），这1500个字节限制包括了上层报头+有效载荷。

路由器也是主机，也有自己的最大MTU的限制，如果某个路由器的MTU为500字节，但是接收到了局域网内某个主机1500字节的报文，这是路由器就会对这个报文再次进行分片组装！

数据包的大小只有传输层能控制，但有时仍会超过1500字节，只能由IP协议进行分片与组装来解决，发送端IP层进行分片，每一个分片都会有IP报头，对端IP层进行组装（字节超限并不是主流情况）。TCP和MAC帧并不关心IP对数据包进行了分片和组装，这仅仅是IP层自己的行为。

4.7 协议类型

如上图，0x0800表示要分用给IP协议，0x0806表示要分用给ARP协议，0x8035表示要交给RARP协议，后两者协议在后面会详细介绍。

4.8 解包

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。

4.9 分用

根据帧协议类型交给对应的上层协议即可，如0x0800就交给网络层的IP协议去处理有效载荷。

五、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)。

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。

5.1 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位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0);
到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 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，传输层若为TCP将超时重传，UDP将表现为丢包。

5.2 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。

5.3 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);
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)。

六、ARP协议

https://www.ietf.org/rfc/rfc826.txt

6.1 ARP协议的作用

ARP协议是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。

在局域网通信中，必须得知道目标主机的MAC地址才能将数据封装成MAC帧。

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，需要使用ARP协议来查找IP和MAC地址的映射关系。

6.2 ARP老化

ARP缓存表中保存了IP地址和对应的MAC地址映射关系。但是，网络中的设备是动态的，可能会发生IP地址分配变化或设备更换的情况。为了保持ARP缓存表的准确性，需要一种机制来处理过时的条目。这就是ARP老化机制。

ARP老化是指ARP缓存表中的条目在一定时间内没有被使用而被删除的过程。每个条目都有一个生存时间（存活时间），一般默认为20分钟左右。如果在该时间内没有再次与该IP地址通信，那么该条目将被删除。当然，如果在生存时间内继续与该IP地址通信，那么该条目的生存时间会被重置，以保持其有效性。

在Linux中，ARP老化是由内核的网络协议栈负责的。内核会定期检查ARP缓存表中的条目，并清除过时的条目，以确保ARP缓存表的及时更新。

6.3 ARP协议格式

ARP协议下层是MAC帧（帧类型为0x0806）。

ARP数据包字段：

硬件类型，2字节。指链路层网络类型, 1为以太网。
协议类型，2字节。指发送方要转换的地址类型，0x0800为IP地址;
硬件地址长度，1字节。对于ARP请求或者应答来说，该值为6，物理地址长度。
协议地址长度，1字节。对于ARP请求或者应答来说，该值为4，IP地址长度。
op操作类型，2字节。1表示ARP请求,2表示ARP应答。
发送端以太网地址，6字节。和以太网源地址相同。
发送端IP地址，4字节。
目的以太网地址，6字节。发送ARP请求时，该字段置0。
目的IP地址，4字节。

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。

6.4 ARP请求

6.4.1 ARP广播请求

当一个主机第一次想去获取同一网络中某个设备的MAC地址，由于此时主机不知道设备的MAC地址，所以只能广播ARP请求，以便于这个ARP请求能被设备收到；当第一个过程走完之后（其实就是主机收到了设备的ARP应答），双方都知道对方的IP--MAC映射，也会在自己的ARP表中生成这个映射。

这是一条10.10.11.14发出的广播请求，询问10.10.11.114的MAC地址。

硬件类型为1，说明为以太网
协议类型为0x0800, IPv4
硬件地址长度为6
协议长度为4
操作类型为1，表示ARP请求
发送端MAC地址和 MAC帧头部源MAC地址一样。
发送端IP地址为本机地址
目的以太网地址留空，ARP请求置0
目的IP地址，就是要查询的IP地址。

MAC地址FF:FF:FF:FF:FF:FF, 代表这是一个广播MAC帧。

6.4.2 ARP单播请求

由于ARP老化机制第二种--单播轮询，主机会定期向设备发送点到点的单播ARP请求报文，用来确认对方是否存在，确认这条ARP缓存是该更新（主要是更新老化定时器）还是删除，同时，使用单播还可以减少网络中的ARP报文数量；因此。这种"明知故问"的单播ARP请求报文其实是非常合理的

这是10.10.11.114发出的一个ARP请求，问询10.10.11.14的MAC地址，以前已经知道，才能填写在MAC帧的首部，但是要过期了，查询是否需要更新。

6.5 ARP应答

目的主机接收到ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中;ARP收到应答的时候，会以最新的应答为准。

当被请求主机发送ARP应答时，其他主机在数据链路层就可以通过以太网目的地址字段区分这个MAC帧是不是给我的。

6.6 Gratuitous ARP（免费 ARP）

Gratuitous ARP 是一种特殊的 ARP 请求，当主机启动时，发送一个 Gratuitous ARP 请求，即请求自己的 IP 地址和 MAC 地址，即目标 IP 地址为自己的 IP 地址。

Gratuitous ARP 的作用 - 以广播的形式发送自己的 IP 地址和 MAC 地址，在网络中宣告自己的信息，可以是宣告新添加的主机或者更新自己的 MAC 地址 - 检测 IP 地址冲突，若收到了 ARP 响应报文，则说明网络中已存在使用该 IP 地址的主机。

七、RARP协议

Reverse Address Resolution Protocal，逆地址解析协议。

https://www.ietf.org/rfc/rfc903.txt

7.1 RARP协议作用

允许局域网的物理机器使用MAC地址，从网关服务器的ARP表或缓存上请求IP地址。

主要用于无盘工作站，因为给无盘工作站配置IP地址不能保存。

在网络中配置一台RARP服务器，里面保存着IP地址和MAC地址的映射关系，当无盘工作站启动后，就封装一个RARP数据包，里面有其MAC地址，然后广播到网络上去，当服务器收到请求包后，就查找对应的MAC地址的IP地址装入响应报文中发回给请求者。因为需要广播请求报文，因此，RARP只能用于具有广播能力的网络。

7.2 RARP工作原理

发送端发送一个本地的RARP广播包，在此广播包中声明自己的MAC地址，并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址。
本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址。如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包，并将此IP地址提供给对方主机使用；如果不存在，RARP服务器对此不做任何响应。
源端在收到从RARP服务器来的响应信息后，利用得到的IP地址进行通信；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，则表示初始化失败。

7.3 RARP协议格式

RARP协议格式和ARP协议格式相同。使用区别是：

RARP请求或应答帧代码类型是0x8035，
RARP的请求的操作代码是3，应答操作代码是4。

可以看出这个包发送出来的时候是没有IP地址的------因为不知道，就是要查询自己的IP。

然后是目的MAC是一个广播地址。

八、以太网帧Frame的传输过程

以太网采用广播机制，所有与网络连接的工作站都可以看到网络上传递的数据。通过查看包含在帧中的目标地址，确定是否进行接收或放弃。如果证明数据确实是发给自己的，工作站将会接收数据并传递给高层协议进行处理。

以太网采用CSMA/CD媒体访问机制，任何工作站都可以在任何时间访问网络。在发送数据之前，工作站首先需要侦听网络是否空闲，如果网络上没有任何数据传送，工作站就会把所要发送的信息投放到网络当中。否则，工作站只能等待网络下一次出现空闲的时候再进行数据的发送。

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唔那个收到主机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。

8.1 单播

主机B给主机C发送单播帧，主机B首先要构建该单播帧，在帧首部中的目的地址字段填入主机C的MAC地址，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上帧首部的其他字段、数据载荷以及帧尾部，就构成了该单播帧

主机B将该单播帧发送出去，主机A和C都会收到该单播帧

主机A的网卡发现该单播帧的目的MAC地址与自己的MAC地址不匹配，于是丢弃该帧

主机C的网卡发现该单播帧的目的MAC地址与自己的MAC地址匹配，于是接受该帧，并将该帧交给其上层处理

8.2 广播

假设主机B要发送一个广播帧，主机B首先要构建该广播帧，在帧首部中的目的地址字段填入广播地址，也就是十六进制的全F，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上帧首部中的其他字段、数据载荷以及帧尾部，就构成了该广播帧

主机B将该广播帧发送出去，主机A和C都会收到该广播帧，发现该帧首部中的目的地址字段的内容是广播地址，就知道该帧是广播帧，主机A和主机C都接受该帧，并将该帧交给上层处理

8.3 多播

假设主机A要发送多播帧给该多播地址。将该多播地址的左起第一个字节写成8个比特，第一个字节的最低比特位是1，这就表明该地址是多播地址

快速判断地址是不是多播地址，就是上图所示箭头所指的第十六进制数不能整除2（1,3,5,7,9,B,D,F），则该地址是多播地址

假设主机B，C和D支持MAC多播，各用户给自己的主机配置多播组列表如下所示

主机B属于两个多播组，主机C也属于两个多播组，而主机D不属于任何多播组

主机A首先要构建该多播帧，在帧首部中的目的地址字段填入该多播地址，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上帧首部中的其他字段、数据载荷以及帧尾部，就构成了该多播帧

主机A将该多播帧发送出去，主机B、C、D都会收到该多播帧

主机B和C发现该多播帧的目的MAC地址在自己的多播组列表中，因此主机B和C都会接受该**多播帧，**并交付给上层处理

主机D发现该多播帧的目的MAC地址不在自己的多播组列表中，则丢弃该多播帧

8.3 两主机同一子网，不经过网关

当主机A发向主机B的数据流在网络层封装成IP数据包，IP数据包的首部包含了源地址和⽬标地址。

主机A会⽤本机配置的24位IP网络掩码255.255.255.0与目标地址进⾏与运算，得出⽬标网络地址与本机的⽹络地址是不是在同⼀个⽹段中。

如果在同一个子网，可以通过ARP协议获取目的IP的MAC地址，数据链路层直接封装以太网帧发送出去。

这个过程中源IP、目标IP、源MAC、目标MAC都不会改变。

8.3 路由转发过程

当主机A发向主机B的数据流在网络层封装成IP数据包，IP数据包的首部包含了源地址和⽬标地址。

主机A会⽤本机配置的24位IP网络掩码255.255.255.0与目标地址进⾏与运算，得出⽬标网络地址与本机的⽹络地址是不是在同⼀个⽹段中。

如果不是将IP数据包转发到网关。在发往⽹关前主机A还会通过ARP的请求获得默认⽹关的MAC地址。在主机A数据链路层IP数据包封装成以太网数据帧，然后才发住到网关......也就是路由器上的⼀个端⼝。

当网关路由器接收到以太网数据帧时，发现数据帧中的目标MAC地址是自己的某⼀个端⼝的物理地址，这时路由器会把以太网数据帧的封装去掉。路由器认为这个IP数据包是要通过自己进行转发，接着它就在匹配路由表。匹配到路由项后，它就将包发往下⼀条地址。

IP地址始终不变

目的IP地址是为了确认目的主机。如果IP地址改变则目的主机改变无法进行正常通信。

源IP地址由于NAT等相关技术可能会发生变化，看情况。

经过交换机，源/目的MAC地址不变

数据帧在交换机之间转发。在一个网段内部，通过数据包通过MAC寻址（二层交换机和终端都有MAC表，查表或者通过MAC广播）因此在二层交换机，数据包里的源目MAC地址肩负着把数据包从发包终端传递到目的IP所在终端（网段的其他主机~其他网段IP的话就是给网关）的任务。

经过路由器，源/目的MAC地址变

经过路由器，由于三层设备转发，跨网段了，原来的MAC地址当然就不能使用了，所以出接口的MAC此时成为在新一个网段实现两个IP之间寻址的源MAC，根据MAC表找到匹配到的路由条目指出的需要转给的下一个IP的MAC地址（没的话ARP广播得到），然后封装好新的源目MAC，转给新网段之间的交换机。。。直到完成新的网段里两点之间的数据包的传递。

在帧不断转发的过程中，IP源/目的地址不变，MAC源/目的地址根据所经过的路由器端口变化。

参考：

Linux网络编程: 以太网帧Frame/ARP/RARP详解

一、TCP/IP五层模型

OSI七层网络模型

二、以太网

三、MAC地址

已经有了IP地址，为什么还要有MAC地址呢？

单站地址，组地址，广播地址

全球管理与本地管理

四、以太网帧Frame

4.1 以太网帧类型

4.2 Ethernet II以太帧

4.3 IEEE802.3帧

4.3.1 802.3 Raw以太帧

4.3.2 IEEE 802.3 LLC以太帧

4.3.3 IEEE 802.3 SNAP以太帧

4.4 IEEE 802.1Q标签

4.5 最小帧长

4.6 最大帧长

4.7 协议类型

4.8 解包

4.9 分用

五、MTU

5.1 MTU对IP协议的影响

5.2 MTU对UDP协议的影响

5.3 MTU对TCP协议的影响

六、ARP协议

6.1 ARP协议的作用

6.2 ARP老化

6.3 ARP协议格式

6.4 ARP请求

6.4.1 ARP广播请求

6.4.2 ARP单播请求

6.5 ARP应答

6.6 Gratuitous ARP（免费 ARP）

七、RARP协议

7.1 RARP协议作用

7.2 RARP工作原理

7.3 RARP协议格式

八、以太网帧Frame的传输过程

8.1 单播

8.2 广播

8.3 多播

8.3 两主机同一子网，不经过网关

8.3 路由转发过程

IP地址始终不变

经过交换机， 源/目的MAC地址不变

经过路由器，源/目的MAC地址变

经过交换机，源/目的MAC地址不变