计算机网络之【IP协议】（IP分片、局域网通信原理、MAC帧与MAC地址、ARP协议、ping）

1.IP分片

（1）IP分片细节

重组步骤：

(4)规避手段(MSS与路径MTU发现)

2.数据链路层

2.1以太网简介

2.2局域网通信原理与碰撞处理

[2.3MAC 帧与MAC 地址](#2.3MAC 帧与MAC 地址)

[（5）MAC 地址与 IP 地址对比](#（5）MAC 地址与 IP 地址对比)

[2.4ARP 协议](#2.4ARP 协议)

（4）arp指令

（5）arp欺骗简介

3.ping

1.IP分片

IP分片是网络层的专属功能 （数据链路层无法也不负责分片，只丢弃超MTU的包），其核心设计是在源端或路由器一次性分片、端到端重组 ，避免中间节点反复切割，从而减少开销并屏蔽异构链路**（如以太网→PPP→令牌环）**的MTU差异

（1）IP分片细节

三个字段的分工

字段	作用
16位标识	标识同一个原始IP包（同一批分片该值相同）
3位标志	主要是MF位：1=后面还有分片，0=最后一个
13位片偏移	指示该分片的数据在原始包中的起始位置（单位：8字节）

示例

假设一个原始IP数据包：数据部分长度为 4000 字节 ，需要通过一个 MTU（最大传输单元）为 1500 字节 的链路

参数：

IP头：通常20字节（无选项）
每片最大数据量：1500 - 20 = 1480 字节（每个分片都有独立的ip报头）
片偏移单位：8字节。因此每片的数据长度必须是8的倍数（除最后一片）

分片编号	数据字节范围	数据长度	片偏移 (值)	片偏移 (实际字节)	MF标志
第1片	0 ~ 1479	1480	0	0	1 (后面还有)
第2片	1480 ~ 2959	1480	185 (1480/8)	1480	1 (后面还有)
第3片	2960 ~ 3999	1040	370 (2960/8)	2960	0 (最后一片)

重组步骤：

根据标识（0x1234）收集所有分片
按片偏移从小到大排序
检查数据是否连续 + 最后一片的MF == 0
拼接还原原始IP包

（2）分片丢失检测机制

重组超时定时器：接收端收到第一个分片（偏移=0）时，会启动一个定时器（通常30秒），如果在超时前没有收齐，就丢弃所有已收到的该标识符的分片
丢第一个分片：后续分片到达时，由于没有偏移=0的分片来初始化重组缓冲区，它们会被直接丢弃（或者缓存一小段时间等待，但最终超时），无法组装。
丢最后一个分片：收齐了所有非最后分片（MF=1），但永远等不到MF=0的分片，定时器超时后丢弃，永远无法收齐。
丢中间分片：比如收到片0和片2，但没收到片1。重组缓冲区会出现一个"空洞"，定时器超时后丢弃所有，无法重组。

对于IPv4，丢失任意一个分片 = 丢失整个原始数据包 。接收端无法向发送端"我只缺第3片，请重传这一片"。它只能默默丢弃，等待发送端(如TCP的超时重传)重新发送整个原始数据包

(3)不建议分片

假设：一个1500字节的TCP数据包（含头），在传输中丢失一个IP分片的概率是 1%
如果分成2片：整个包丢失的概率 ≈ 2% (1 - 0.99^2)。丢包率翻倍
如果分成10片：整个包丢失的概率 ≈ 9.6%。丢包率放大近10倍

对于UDP ：没有重传机制，分片丢失意味着应用层直接丢失了整个数据报

对于TCP ：TCP的重传是按段进行的，一个TCP段如果被分片，丢任一片就会导致TCP重传整个段，效率极低

(4)规避手段(MSS与路径MTU发现)

MTU（最大传输单元 ）：数据链路层限制，指单个数据帧有效载荷的最大总大小（包含整个IP包（IP头 + 传输层报文）），超了就得靠分片
MSS（最大报文段大小 ）：传输层限制，指单个TCP数据段中纯数据的最大字节数（不含IP头和TCP头），超了TCP自己会切，为的是避免分片

TCP MSS (最大段大小) 协商：

TCP三次握手时，双方会通告自己的MSS，实际连接采用的MSS取两者最小值
MSS 通常 = MTU - 40 (20字节TCP头 + 20字节IP头)如果IP或TCP头带选项，MSS相应变小
以太网MTU=1500，则MSS=1460。TCP发出的每个段都保证≤1460字节，封装成IP包后≤1500字节，永远不会被路由器分片。这是避免分片的最有效手段。

路径MTU发现 (PMTUD)：

发送端设置IP包的DF=1 (Don't Fragment)
如果中间路由器发现包大于下一跳MTU，它无法转发，会丢弃该包，并返回一个ICMP报文："需要分片但设置了DF位" (Type 3, Code 4)，同时告诉发送端下一跳的MTU
发送端据此减小发送包的大小，并缓存这条路径的MTU
注意：很多网络会过滤ICMP，导致PMTUD失效，造成"黑洞连接"（能握手，但发大数据就卡死）

应用层规避（针对UDP）：

因为纯UDP是无连接、重传等机制的，所以纯UDP不执行上述行为
在以太网环境下，安全的UDP数据净荷通常 ≤ 1472 字节 (1500 MTU - 20 IP头 - 8 UDP头)
如果需要传输更大的UDP数据，应用层应自行实现分块、确认和重传机制（如RPC、TFTP的做法）

2.数据链路层

（1）

知识点	核心说明
位置	网络层之下，与物理层交互，网卡驱动实现了数据链路层的主要功能
核心职责	解决直接相连的主机之间的数据帧传输
封装/解包	使用定长报头进行分离与组装
分用	通过帧中的类型字段决定交付给上层哪个协议（如 IP / ARP）
典型协议	以太网（Ethernet）

2.1以太网简介

以太网是目前最广泛使用的局域网技术

（1） MAC 帧

MAC 帧格式：目的MAC + 源MAC + 类型 + 载荷 + FCS（CRC校验）
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，在网卡出厂时固化
帧协议类型字段有三种值：0x0800：IP 报文；0x0806：ARP 报文；0x8035：RARP报文
帧末尾是CRC校验码
RARP协议，通过MAC地址获取IP，应用场景少，更简单直接
固定报头可以有效分离，类型字段便于上层交付
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

(2)以太网的关键机制

机制	作用	现状
CSMA/CD	碰撞检测与重发	交换式网络中不再需要
MAC地址	唯一标识设备	仍为核心
广播	发送给所有设备	仍在ARP等场景使用

（3）一些易错点

问题	正确答案
MAC 帧是否只在以太网存在？	不是，但以太网是最典型的
交换机比集线器好在哪里？	隔离冲突域，不碰撞
CSMA/CD 现在还用吗？	无线网还在用（CSMA/CA），有线网几乎不用
以太网 = 局域网吗？	不完全，以太网是局域网的一种实现

2.2MAC 地址

MAC 地址用于在同一个局域网内唯一标识一台网络设备

（2）MAC 地址标准表示格式

格式	示例	说明
冒号分隔	`08:00:27:AB:CD:EF`	Linux / 常见
连字符分隔	`08-00-27-AB-CD-EF`	Windows
点分四组	`0800.27AB.CDEF`	Cisco / 某些设备

（3）MAC 地址的 48 位结构

位置	位宽	名称	含义
第 1 字节（最低位）	1 bit	I/G 位（Individual/Group）	0 = 单播，1 = 组播
第 1 字节（次低位）	1 bit	U/L 位（Universal/Local）	0 = 全球唯一，1 = 本地管理
其余 46 位	46 bit	组织分配	由厂商或管理员分配

（4）MAC 地址类型

类型	说明	示例	判断方式
单播（Unicast）	唯一设备，一对一通信	`08:00:27:AB:CD:EF`	I/G 位 = 0
组播（Multicast）	一组设备，一对多	`01:00:5E:00:00:01`	I/G 位 = 1
广播（Broadcast）	所有设备	`FF:FF:FF:FF:FF:FF`	全 1
本地管理地址	手动修改，非全球唯一	`02:00:00:00:00:01`	U/L 位 = 1
全球唯一地址（OUI）	厂商分配	`08:00:27:AB:CD:EF`	U/L 位 = 0

（5）MAC 地址与 IP 地址对比

维度	MAC 地址	IP 地址
长度	48 位（6 字节）	32 位（IPv4）/ 128 位（IPv6）
表示	十六进制	点分十进制（IPv4）
层次	数据链路层	网络层
作用范围	局域网	端到端
是否可变	通常固定（可手动改）	可动态分配
全局唯一	理论上是，但可本地修改	公网 IP 唯一
IP vs MAC	下一站地址	最终地址

（6）特殊 MAC 地址

地址	用途
`FF:FF:FF:FF:FF:FF`	广播
`01:00:5E:00:00:00` ~ `01:00:5E:7F:FF:FF`	IPv4 组播范围
`33:33:00:00:00:00` ~ `33:33:FF:FF:FF:FF`	IPv6 组播范围
`00:00:00:00:00:00`	无效 / 未指定

（7）查看 MAC 地址的命令

系统	命令
Linux	`ifconfig` 或 `ip addr`
Windows	`ipconfig /all`
macOS	`ifconfig` 或 `networksetup -listallhardwareports`

2.3局域网通信原理与碰撞处理

局域网通信的核心原理是：在同一广播域内，主机通过MAC地址 唯一标识自己，数据以MAC帧 形式在共享或交换介质中传输；发送方使用ARP协议 将目标IP解析为MAC地址，若目标在同一子网则直接通过交换机单播转发，否则通过默认网关 转发；早期共享介质（集线器）采用CSMA/CD 避免碰撞，现代交换网络则基于MAC地址表实现无碰撞、全双工转发，从而高效完成相邻节点间的数据交付
局域网 = 多台主机共享的临界资源，任意时刻只能一台发送

知识点	说明
通信特点	同一局域网中，所有主机都是"吃瓜群众"，都能收到帧
核心问题	数据碰撞
碰撞原因	多台主机共享同一介质（早期总线 / 无线）
避免算法	CSMA/CD（先听后说、碰撞则停、随机重发）
重发策略	碰撞后等待随机时间再重试
主机数影响	主机越多 → 碰撞概率越大
交换机	隔离碰撞域，但不隔离广播域

绕过数据链路层向局域网内发送大量垃圾报文，就会增大数据碰撞的概率，直接影响就是卡

2.4ARP 协议

（1）ARP 的作用与原理

知识点	说明
全称	Address Resolution Protocol
核心作用	已知目标 IP → 获取目标 MAC
协议归属	属于数据链路层，在mac帧上层，所以封装在 MAC 帧中（类型 = 0x0806）
请求	广播（目的MAC = `FF:FF:FF:FF:FF:FF`）
应答	单播（直接回复请求方）
ARP 缓存	`arp -a` 查看，避免频繁广播
缓存失效	重新发起 ARP 请求

获取MAC地址的邪修

通过本机IP与子网掩码计算出所在网段的网络号，遍历该网段所有可能的IP地址发送ping请求，从而触发ARP广播；活跃主机会响应ARP请求，本机将学习到的IP-MAC映射存入ARP缓存（可通过arp -a查看），最终即可得到该局域网中所有活跃主机的IP地址及其对应的MAC地址。注意：若目标主机禁ping或不在同一广播域，则无法通过此方法发现

（2）ARP 报文格式

ARP 报文长度为 28 字节，封装在以太网 MAC 帧中（帧类型 = 0x0806）

字段	长度	值（以太网+IPv4）	说明
硬件类型	2字节	`0x0001`	链路层协议类型，1=以太网
协议类型	2字节	`0x0800`	网络层协议类型，0x0800=IPv4
硬件地址长度	1字节	`0x06`	MAC地址长度（6字节）
协议地址长度	1字节	`0x04`	IP地址长度（4字节）
操作码 op	2字节	`1`=请求，`2`=应答	`3`=RARP请求，`4`=RARP应答
发送端MAC	6字节	发送方的MAC地址	请求/应答时都填
发送端IP	4字节	发送方的IP地址	请求/应答时都填
目的端MAC	6字节	接收方的MAC地址	请求时填 `00:00:00:00:00:00`
目的端IP	4字节	接收方的IP地址	请求时填目标IP

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）ARP 工作流程

查缓存 → 没有则广播请求 → 目标主机单播应答 → 更新缓存
请求方：构造 ARP 请求（op = 1），目的以太网地址 = FF:FF:FF:FF:FF:FF。封装成 MAC 帧，类型 = 0x0806，广播到局域网
接收方判断链路：，每个主机收到广播帧，检查帧类型 = 0x0806 → 交给 ARP 层，检查 op 和目的 IP，不是自己的 IP → 丢弃（ARP 层丢弃）
目标主机应答：构造 ARP 应答（op = 2），填充自己的 MAC 和 IP，单播回复请求方
请求方缓存：收到应答后，将 IP → MAC 存入 ARP 缓存

收到的任何arp报文都是先看op字段

（4）arp指令

arp 命令用于查看和修改本机的 ARP 缓存表

场景	Windows	Linux
查看所有	`arp -a`	`arp -a` 或 `ip neigh`
查看单个	`arp -a IP`	`arp -a
删除全部	`arp -d`	`ip neigh flush all`
删除单个	`arp -d IP`	`ip neigh del IP dev eth0`
添加静态	`arp -s IP MAC`	`ip neigh add ... permanent`

复制代码

dfq@VM-0-16-ubuntu:~$ arp -a
_gateway (10.0.0.1) at fe:ee:7f:99:99:19 [ether] on eth0

字段	值	含义
主机名	`_gateway`	网关的 DNS 名称（自动解析）
IP 地址	`(10.0.0.1)`	网关的 IP 地址
分隔符	`at`	表示"对应的 MAC 地址是"
MAC 地址	`fe:ee:7f:99:99:19`	网关的 MAC 地址
类型	`[ether]`	以太网（Ethernet）
网络接口	`on eth0`	通过网卡 `eth0` 学习到

（5）arp欺骗简介

复制代码

HostA (192.168.1.2)      HostM (192.168.1.100)      Gateway (192.168.1.1)
      |                           |                              |
      |<--- 1. 伪造 ARP 应答 -------|                              |
      |   "网关 IP=192.168.1.1"      |                              |
      |   "网关 MAC=MAC_M"           |                              |
      |                           |                              |
      |--- 2. 上网数据包 --------->|                              |
      |   (目的MAC=MAC_M)          |                              |
      |                           |--- 3. 转发给真实网关 ------->|
      |                           |   (源IP仍是 HostA)           |
      |                           |                              |--- 4. 上网
      |<--- 5. 返回数据 -----------|                              |
      |   (从网关收到后转发)        |<-----------------------------|

关键点 ：HostA 认为自己在和网关通信，实际在和 HostM 通信；HostM 再把数据转发给真正的网关。HostA 和网关都蒙在鼓里

攻击者 HostM 向源主机 HostA 发送大量伪造的 ARP 应答，声称"网关 IPR 对应的 MAC 地址是 MAC_M"。HostA 的 ARP 缓存被更新为 IPR → MAC_M。此后，HostA 发往网关的所有数据都会先到达 HostM。若同时欺骗网关，让网关也误以为 HostA 的 MAC 是 MAC_M，则可实现双向截获，完成中间人攻击

欺骗方式	操作	效果
单向欺骗	只欺骗 HostA（告诉 HostA：网关是 HostM）	HostA 的数据经过 HostM，但网关直接回复 HostA 时走正常路径，可能导致 TCP 序列号错乱
双向欺骗（更常见）	同时欺骗 HostA 和网关（告诉网关：HostA 是 HostM）	HostA 和网关的所有通信都经过 HostM，完美的中间人

双向欺骗需要攻击者同时发送：

给 HostA：网关IP(192.168.1.1) → 攻击者MAC
给网关：HostA的IP(192.168.1.2) → 攻击者MA

计算机网络 之 【IP协议】（IP分片、局域网通信原理、MAC帧与MAC地址、ARP协议、ping）

1.IP分片

（1）IP分片细节

重组步骤：

(4)规避手段(MSS与路径MTU发现)

2.数据链路层

2.1以太网简介

2.2MAC 地址

（5）MAC 地址与 IP 地址对比

2.3局域网通信原理与碰撞处理

2.4ARP 协议

（4）arp指令

（5）arp欺骗简介

计算机网络之【IP协议】（IP分片、局域网通信原理、MAC帧与MAC地址、ARP协议、ping）