Linux网络数据链路层

"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，例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等

例如以太网中的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

以太网帧格式

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，是在网卡出厂时固化的

帧协议类型字段有三种值，分别对应 IP、 ARP、 RARP

帧末尾是 CRC 校验码

我们如何分离（封装）这个以太网帧呢？

答：以太网帧是固定长度的协议，也就是说我们把前14个字节去掉以及后4个字节去掉就取到了完整的报文啦
我们如何进行分用呢？

答：根据帧中的类型字段，如果类型是0800，那就往上交给的是ip协议，其他的两个就是 ARP、 RARP协议

真正在网络物理层上流动的数据------其实是数据帧

认识mac地址

MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点

• 长度为 48 位, 即 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(虚拟机中的 mac 地址不是真实的mac 地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置 mac 地址)

对比mac地址和ip地址

我们可以结合 "唐僧取经" 的例子，把网络通信想象成唐僧师徒从东土大唐（起点）前往西天灵山（终点）取经的过程，来更详细理解 MAC 地址和 IP 地址：

IP 地址

IP 地址就像是取经的总体路线规划，明确了 "从东土大唐出发，到西天灵山结束" 这个大的起点和终点。在网络中，当一台设备（比如你的电脑）要给另一台设备（比如服务器）发送数据时，IP 地址确定的是 "数据从哪个设备发出去，最终要到哪个设备"，它是宏观层面上的地址标识，负责在整个网络（比如互联网）的范围里，指引数据的大致方向。------解决长期最终从哪里来到哪里去的问题

MAC 地址

MAC 地址则像是取经路上每一段路程的具体起点和终点。唐僧师徒从大唐出发，要经过很多国家、地区（比如大唐边境、西域某国、天竺边境等），每进入一个新的区域，都需要和当地的 "节点"（比如驿站、关口）打交道。在网络里，数据从发送设备到接收设备，往往不是直接传输的，会经过很多网络设备（比如交换机、路由器等）。MAC 地址就是在这些 "相邻" 的网络设备之间起作用，确定 "数据从这一个网络设备（或节点）发出去，下一个要到哪一个网络设备（或节点）"，它是微观层面的，负责在局域网内或者相邻设备之间，精准传递数据。------解决短期从哪里来到哪里去的问题

简单来说，IP 地址管 "大方向"，MAC 地址管 "每一小步的具体传递"，两者配合，才能让数据在复杂的网络中准确、高效地传输。

认识MTU

这个我们在前面分片那里是提过滴

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

MTU对UDP协议的影响

让我们回顾一下 UDP 协议：

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

MTU对TCP协议的影响

让我们再回顾一下 TCP 协议:

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)------也就是1460字节;
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)

MSS 和 MTU 的关系

查看硬件地址和 MTU

使用 ifconfig 命令, 即可查看 ip 地址, mac 地址, 和 MTU

所以我们的mtu的出现是为了降低碰撞冲突的概率

此时还会有一个问题：如果我们只知道目标主机的ip地址，不知道对方的mac地址，就无法给对方发送数据帧，所以说我们还需要一种局域网协议 ，把ip转换成为对应的mac地址------也就是我们的ARP协议！

2.ARP协议

是地址解析协议；需要强调的是，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

ARP 协议的作用

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硬件地址
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
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP 协议的工作流程

源主机发出 ARP 请求，询问 "IP 地址是 192.168.0.1 的主机的硬件地址是多少"，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播）；

源主机会生成一个ARP 请求数据包，内容格式大致为：
复制代码
“我的IP是192.168.1.100，MAC是AA:BB:CC:DD:EE:FF，请问IP为192.168.1.200的主机的MAC地址是什么？”
目的主机接收到广播的 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；

内容格式为：

"我的IP是192.168.1.200，MAC是FF:EE:DD:CC:BB:AA，请知晓"

每台主机都维护一个 ARP 缓存表，可以用 arp -a 命令查看。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

短时记录而不是永久记录的原因是我们的ip是动态变化的同时有可能一台主机会更换mac地址

包括路由器之间的跳转也是需要arp协议进行转换的：

当路由器接收到网络层的 IP 数据包，确定了下一跳的 IP 地址后，在将数据包封装成数据链路层帧之前，需要获取下一跳路由器接口对应的 MAC 地址。路由器会使用 ARP 协议（地址解析协议），发送 ARP 请求广播包，询问下一跳 IP 地址对应的 MAC 地址是什么。例如，路由器 A 要将数据包转发给下一跳路由器 B，路由器 A 就会发送 ARP 请求，若路由器 B 的 IP 地址与请求中的目标 IP 匹配，路由器 B 会回复包含自己 MAC 地址的 ARP 应答包

总的流程就是：

若在同一局域网内，主机 A 先检查本地 ARP 缓存，若未找到对应映射关系，便生成包含自身 IP 与 MAC 地址的 ARP 请求包，以广播 MAC 地址封装后发送至局域网；主机 B 接收到广播帧后，确认目标 IP 匹配，随即生成含自身 MAC 地址的应答包，以主机 A 的 MAC 地址为目的地址直接回传，主机 A 接收后更新缓存，建立通信链路。

若主机 A 与主机 B 跨网段，主机 A 需先通过 ARP 获取本地网关（如路由器 R2）的 MAC 地址，将发往主机 B 的 IP 数据包以网关 MAC 为目的地址封装发送；路由器 R2 接收后，依据路由表确定下一跳路由器 R1 的 IP，再通过 ARP 解析其 MAC 地址并重新封装数据帧，逐跳转发至主机 B 所在网段的网关；最终，目标网段网关通过 ARP 获取主机 B 的 MAC 地址，完成数据交付。整个过程中，IP 地址始终标识通信的源与目标，而 MAC 地址则在每段链路中动态更新，确保数据帧在物理层面的准确传输

ARP 数据报的格式

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。

硬件类型指链路层网络类型，1 为以太网；

协议类型指要转换的地址类型，0x0800 为 IP 地址；

硬件地址长度对于以太网地址为 6 字节；

协议地址长度对于 IP 地址为 4 字节；

op 字段为 1 表示 ARP 请求，op 字段为 2 表示 ARP 应答

发送端以太网地址就是请求方的mac地址，发送端ip地址就是请求方ip地址

目的以太网地址是需要请求方发送的接收方自己填充的，不清楚时默认为全F表示广播地址，允许填充

往下交付时填写目的以太网地址（不清楚就填全F默认）、以太网源地址、帧类型填0806表示arp

不相关主机对于arp请求是在arp层丢弃请求的，对于arp应答是在mac帧层丢弃应答的