Linux：数据链路层

以太网帧结构

| 目标MAC地址(6字节) | 源MAC地址(6字节) | 帧类型(2字节) | 数据载荷(46 - 1500字节) | CRC校验码(4字节) |

1.源地址和目的地址（MAC地址）​​

定义​​：确为网卡的物理地址 / 硬件地址，长度48位（6字节），网卡出厂时固化。

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；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

作用​​：在​​局域网内​​标识数据帧的发送者和接收者（类似快递单上的收件 / 寄件人地址）。

2. ​​帧协议类型字段（EtherType）​​

定义​​：2字节字段，指示数据载荷中封装的上层协议类型。

常见值​​：

0x0800​​：对应 ​​IPv4​​ 协议

0x0806​​：对应 ​​ARP​​ 协议（地址解析协议）

0x8035​​：对应 ​​RARP​​ 协议（反向地址解析协议，现已很少使用）

0x86DD​​：对应 IPv6 协议

作用​​：接收方网卡根据此字段判断应将帧数据交给哪个上层协议栈处理（如IP协议栈或ARP模块）。

3. ​​帧末尾CRC校验码​​

定义​​：4字节（32位）的循环冗余校验码，也称FCS（帧校验序列）。

作用​​：接收方通过CRC校验检测帧在传输过程中是否出现比特错误（如信号干扰导致的位翻转）。若校验失败则丢弃该帧。

对比理解MAC地址和IP地址

​​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。

认识MTU

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, ARP数据包的长度不够46字节, 要在后⾯补填充位;

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;

如果⼀个数据包从以太网路由到拨号链路上, 数据包长度大于拨号链路的MTU了, 则需要对数据包进行分片(fragmentation);

不同的数据链路层标准的MTU是不同的;

​​MTU 对 TCP 协议的影响​

MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是数据链路层规定的单次传输数据的最大长度，而 TCP 的 MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度）受 MTU 限制。

MTU 与 MSS 的关系​​

• ​​MTU​​（数据链路层限制）：

  • 以太网默认 MTU = ​​1500 字节​​（含 IP 头 + TCP 头 + 数据）。

  • IP 头通常占 ​​20 字节​ ​，TCP 头占 ​​20 字节​ ​，因此 MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460 字节。

• ​​MSS​​（TCP 层限制）：

  • 表示 ​​TCP 单次可发送的最大数据长度​​（不含 TCP/IP 头）。

  • 若数据超过 MSS，TCP 会分段（Segment），IP 层可能分片（Fragment）。

MSS 协商（三次握手阶段）​​

TCP 在建立连接时，双方通过 ​​SYN 报文​​交换 MSS 值：

1. ​​客户端发送 SYN​ ​：携带自己的 MSS（如 1460）。

2. ​​服务端回复 SYN-ACK​ ​：携带自己的 MSS（如 1420）。

3. ​​双方选择较小的 MSS​ ​：最终 MSS = min(1460, 1420) = 1420。

   • MSS 值存储在 TCP 头部的 ​​选项字段​​（Kind=2）。

​​为什么协商 MSS？​​

避免 IP 分片（降低传输效率），确保数据能被对端完整接收。

MTU 对 TCP 性能的影响​​

• ​​MTU 过小​​：

  • 增加分段次数 → 降低吞吐量。

  • 更多 TCP 头部开销（每个分段需加 20 字节 TCP 头 + 20 字节 IP 头）。

• ​​MTU 过大​​：

  • 可能触发 IP 分片 → 丢失任意分片会导致整个数据报重传。

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数据包要进行分包处理。

IP分片机制：

1. ​​分包过程​​

   • 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(Identification)​​ 都是相同的，用于标识属于同一个原始数据包

2. ​​标志字段设置​​

   • 每个小包的IP协议头的​​3位标志字段​​中：

     • ​​第2位(DF位)​​：置为0，表示允许分片

     • ​​第3位(MF位)​​：表示结束标记

       • 如果是最后一个小包，置为1

       • 如果不是最后一个小包，置为0

3. ​​重组过程​​

   • 到达对端时，将这些小包按顺序重组，拼装到一起返回给传输层

   • 重组依据：IP头部的标识符、分片偏移量、MF标志位

4. ​​分片丢失的影响​​

   • 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IP层不会负责重新传输数据​​，数据包将被丢弃

   • 重传责任由上层协议（如TCP）或应用程序承担

存在的问题：

• ​​效率低下​​：分片增加处理开销，降低传输效率

• ​​可靠性差​​：任意分片丢失导致整个IP数据包作废

• ​​安全风险​​：可能被用于分片攻击

优化建议：

• 应用程序应尽量控制数据包大小，避免IP分片

• TCP通过MSS协商自动避免分片

• UDP应用需要手动控制数据包大小

ARP报文格式​

ARP报文采用​​大端序（网络字节序）​​，其格式如下：

字段	长度（字节）	说明
​​硬件类型​​	2	链路层网络类型，1表示以太网
​​协议类型​​	2	要转换的地址类型，0x0800表示IP地址
​​硬件地址长度​​	1	MAC地址长度，以太网为6字节
​​协议地址长度​​	1	IP地址长度，IPv4为4字节
​​op（操作码）​​	2	1=ARP请求，2=ARP应答
​​发送端MAC地址​​	6	发送方的MAC地址
​​发送端IP地址​​	4	发送方的IP地址
​​目的端MAC地址​​	6	目标MAC地址（请求时为全F广播地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF）
​​目的端IP地址​​	4	目标IP地址

ARP请求的处理流程（广播）​​

当主机B收到一个 ​​ARP请求​ ​（广播包，目的MAC=FF:FF:FF:FF:FF:FF）时：

​​(1) MAC层处理​​

• ​​所有主机​ ​ 都会接收广播包（因为目的MAC是FF:FF:FF:FF:FF:FF）。

• ​​MAC层不会丢弃​​，因为广播包是发给所有主机的。

​​(2) ARP层处理​​

主机B的ARP模块解析ARP请求，检查以下字段：

1. ​​op字段​​：

   • 如果是 ​​ARP请求（op=1）​ ​，继续检查 目的IP。

   • 如果是其他值（如非法值），直接丢弃（ARP层）。

2. ​​目的IP字段​​：

   • ​​匹配主机B的IP​​：

     • 记录 ​​主机A的MAC和IP​​ 到ARP缓存。

     • 构造 ​​ARP应答​​（单播返回给主机A）。

   • ​​不匹配​​：

     • ​​在ARP层丢弃​​（不再处理）。

​​为什么不在MAC层丢弃？​​

因为ARP请求是​​广播包​ ​，MAC层无法判断是否该丢弃（所有主机都必须接收广播包）。只有到了ARP层才能检查 目的IP是否匹配自己。

ARP应答的处理流程（单播）​​

当主机A收到 ​​ARP应答​​（单播包，目的MAC=主机A的MAC）时：

​​(1) MAC层处理​​

• ​​检查目的MAC​​：

  • ​​匹配主机A的MAC​​ → 继续传递给ARP层。

  • ​​不匹配​ ​ → ​​直接在MAC层丢弃​​（因为单播包只发给特定主机）。

​​(2) ARP层处理​​

主机A的ARP模块解析ARP应答，检查以下字段：

1. ​​op字段​​：

   • 如果是 ​​ARP应答（op=2）​​，继续处理。

   • 如果是其他值（如非法值），直接丢弃（ARP层）。

2. ​​目的IP字段​​：

   • ​​匹配主机A的IP​​ → 更新ARP缓存（记录主机B的MAC和IP）。

   • ​​不匹配​ ​ → ​​在ARP层丢弃​​（异常情况）。

关键结论​​

​​数据包类型​​	​​丢弃位置​​	​​原因​​
​​ARP请求（广播）​​	​​ARP层丢弃​​	所有主机都会收到广播包，MAC层无法过滤，必须由ARP层检查 目的IP。
​​ARP应答（单播）​​	​​MAC层丢弃​​	单播包的目标MAC明确，不匹配的主机应在MAC层直接丢弃。

只有需要 MAC 地址但缓存里没有时才会触发​​，而不是每次发送数据都发 ARP。

没有缓存时，每次子网路由都会触发ARP

完整数据发送流程（结合 ARP 协议）​

应用层：生成数据（如 HTTP 请求）
        ↓
传输层：加 TCP/UDP 头（端口号）
        ↓
网络层：加 IP 头（源 IP、目标 IP）
        ↓
* * 检查 ARP 缓存 * *
        │
        ├── 如果有目标 MAC → 直接封装帧，发送数据
        │
        └── 如果没有目标 MAC → 先发 ARP 请求，等应答后再封装帧
                ↓
        数据链路层：加 MAC 头（源 MAC、目标 MAC）

场景一：目标 IP 在同一个子网（局域网通信）​​

​​步骤详解：​​

1. ​​应用层​​

   • 生成数据（如 HTTP 请求报文）。

2. ​​传输层​​

   • 添加 TCP/UDP 头部（包含源端口、目的端口）。

   • 例如：TCP 头 + HTTP 数据。

3. ​​网络层（IP 层）​​

   • 添加 IP 头部（源 IP、目标 IP、TTL 等）。

   • ​​关键判断​​：通过子网掩码计算，发现目标 IP 在同一子网。

   • ​​检查 ARP 缓存​​：

     • 如果缓存中有目标 IP 对应的 MAC → 直接跳到步骤 5。

     • 如果缓存中没有 → 触发 ARP 请求。

4. ​​ARP 解析过程​​

   • ​​ARP 请求​​（广播）：

     • 发送广播包："Who has 192.168.1.100? Tell 192.168.1.50"

     • 目的 MAC = FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播地址）

   • ​​ARP 应答​​（单播）：

     • 目标设备回应："192.168.1.100 is at aa:bb:cc:dd:ee:ff"

     • 更新 ARP 缓存。

5. ​​数据链路层​​

   • 用获得的 MAC 地址封装以太网帧：

     • 目的 MAC = 目标设备的 MAC

     • 源 MAC = 本机 MAC

   • 通过网卡发送数据。

场景二：目标 IP 不在同一个子网（跨网络通信）​​

​​步骤详解：​​

1. ​​应用层 → 传输层 → 网络层​​（同上）

2. ​​网络层（IP 层）关键判断​​

   • 通过子网掩码计算，发现目标 IP ​​不在​​本地网络。

   • 例如：192.168.1.50访问 8.8.8.8。

3. ​​ARP 解析默认网关​​

   • ​​触发 ARP 请求查询默认网关的 MAC 地址​​：

     • "Who has 192.168.1.1? Tell 192.168.1.50"（网关 IP）

   • 获得网关的 MAC 地址（如 gg:gg:gg:gg:gg:gg）。

4. ​​数据链路层封装​​

   • 目的 MAC = ​​网关的 MAC 地址​​（不是最终目标的 MAC）

   • 源 MAC = 本机 MAC

   • ​​IP 头中的目标 IP 仍然是最终目标​ ​（如 8.8.8.8）

5. ​​网关路由​​

   • 网关收到帧后，根据 IP 头部的目标 IP 进行路由转发。

   • 后续经过多个路由器，最终到达目标网络。

ARP 缓存机制​​

​​缓存作用​​

• ​​避免重复查询​​：每次通信前不必都发 ARP 请求。

• ​​提高效率​​：减少网络广播流量。

​​缓存特性​​

• ​​有效期​​：通常 2-5 分钟（系统可配置）。

• ​​自动更新​​：收到 ARP 应答时更新缓存。

可以用 arp - a（Windows / Linux）查看当前缓存。