Linux下数据链路层详解（从以太网到ARP协议）

欢迎来到我的频道！【点击跳转专栏】

本文所有代码已托管至码云：【点此转跳】

文章目录

[0. 数据链路层](#0. 数据链路层)

[1. 以太⽹](#1. 以太⽹)

[1.1 以太⽹帧格式(MAC帧)](#1.1 以太⽹帧格式(MAC帧))

[1.2 报头分离和分用问题](#1.2 报头分离和分用问题)

[1.3 认识MAC地址](#1.3 认识MAC地址)

[1.4 对⽐理解MAC地址和IP地址](#1.4 对⽐理解MAC地址和IP地址)

[1.5 认识MTU](#1.5 认识MTU)

[1.6 局域网通信原理](#1.6 局域网通信原理)

[1.7 交换机](#1.7 交换机)

[1.8 打通IP地址和MAC地址的联系（ARP协议）](#1.8 打通IP地址和MAC地址的联系（ARP协议）)

[2. ARP协议](#2. ARP协议)

[2.1 ARP协议是什么以及其作用](#2.1 ARP协议是什么以及其作用)

[2.2 ARP协议原理](#2.2 ARP协议原理)

[2.3 ARP数据报的格式](#2.3 ARP数据报的格式)

[2.4 RARP( 逆地址解析协议)](#2.4 RARP( 逆地址解析协议))

[2.5 ARP欺骗](#2.5 ARP欺骗)

[3. 总结](#3. 总结)

0. 数据链路层

⽤于两个设备(同⼀种数据链路节点)之间进⾏传递

结论：数据本质是以数据帧的形式传递的！

1. 以太⽹

"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;

1.1 以太⽹帧格式(MAC帧)

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。

ether即表示 Mac地址只需要保证局域网内唯一即可！

1.2 报头分离和分用问题

接收方如何分离报头和有效载荷？

这里采用固定长度的首（14byte）和尾（4byte）！

接收方如何分用呢？

在报头有2字节类型字段对发送方来说当数据从网络层交付给链路层时链路层是知道是哪个协议交付的如果是IP 则填写IP对应的置对接收方来说则可以根据该标志位将数据交给对应上层的协议！

1.3 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, 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(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).

1.4 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（局域网内部）

1.5 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以及其对应的物理层, 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（一般是填0），正是因为有这个填充所以IP协议里面会有4位首部长度和16位总长度！
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;

数据链路层依赖物理层，每一种数据链路协议，都配套一套对应的物理层硬件/电气标准。

数据链路层协议	对应的物理层	MTU
以太网(Ethernet)	双绞线/光纤网线	1500
PPP（拨号老宽带）	老式电话线	576
802.11（WiFi无线链路）	无线电信号	1500（有变体）

👉"不同的数据链路对应的物理层"意思：

有什么样的物理硬件（网线/电话线/Wi‑Fi），就用对应的数据链路帧格式；MTU就是这套组合定出来的上限，不是IP协议自己想定多少就多少。

1.6 局域网通信原理

主机A此时正在给主机B发消息！为什么是A给B发？？？这个是网络层决定的！是你查路由表的时候找到了主机E发现是在当前局域网内的，此时就将该报文扔到以太网中了。

以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据
如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞，一个以太网我们称为一个 碰撞域！
所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免（本质是在数据链路层对数据进行延迟重发！不过这个是硬件层面的就不深入了解了）
局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标Mac地址判定，也就是说在同一个局域网内，你的数据是可以被任意一台设备（网卡开启混杂模式）抓到的，所以需要应用层加密！也是防止出现这种情况！

数据帧长度，是否影响碰撞概率？

为了减少碰撞（因为碰撞一次所有数据都要重传，代价太高）需要尽量增加间隙类似说话你连说100句话别人插不进去，但是你说1句等一会就方便别人发言！所以数据帧不能发太长可以分几段发送这样就可以减少碰撞！所以就会有MTU这个东西！如果你1000字节发1000次这么做效率又太低！所以就有了46～1500这个范围。（以太网数据发送是光电信号发送是很快的！所以撞检测和碰撞避免导致的效率问题我们不用担心！）

如果主机数量增多呢？

如果主机数增多必然导致发送的数据变多碰撞概率变大！

1.7 交换机

交换机本质上是多端口网桥，主要工作在 OSI 模型的数据链路层，根据以太网帧中的目的 MAC 地址转发数据。它连接同一局域网中的多台设备，使设备之间能够高效通信。可以有效隔离冲突域！划分冲突域

此时A和D C和E就可以同时通信避免碰撞了！同时AE之间还能互相通信！ 相当于减少设备数量有效减少冲突概率！也能有效防止部分主机恶意碰撞。

这就是为什么学校会有这么多路由器和交换机就是尽量避免碰撞。

谈谈交换机原理：交换机和路由器一样，随着通信的进行，交换机会自主动态学习。

比如主机 A 要给主机 D 发信息，交换机一开始什么都不知道。报文从 eth_left 进来，交换机读到源 MACA，记录 MACA 一定在左侧。

交换机不知道 MACD 在哪里，于是执行泛洪；实际底层是存储‑转发，现象上
帧会从左流到右，为便于理解可以想象转发效果近似一根导线。

交换机从 right 端口发出去 A 的帧副本，这个副本跑在右侧网线，如果此时 E 同时往外发帧，二者会在右侧链路上产生碰撞 。

碰撞会损坏 E 的这一帧，交换机无法接收损坏的帧，因此这次不能学习 MACE。

之后 E 执行退避重传，向局域网重新发送完好帧；完好帧从 eth_right 进入交换机，交换机读到源 MACE，
确定 MACE 一定在右边并记录。
经过一段时间的交换学习，交换机就摸清楚整个局域网各个 MAC 对应的端口

说人话就是在哪边收到数据帧交换机就将收到的MAC地址记录下来！经过一段时间交换机就知道MAC A B D在左边，MAC C E在右边，此时MAC A对MAC D发送信息，因为有交换机存在数据帧想到右边需要经过交换机但是它知道MAC A D是都在左边的于是交换机就对该数据帧不做转发扩散到右边

1.8 打通IP地址和MAC地址的联系（ARP协议）

当我们转发报文的时候经过路由器A 根据目的IP 得到 子网掩码 + 目标网络从而得知下一跳的路由器B的IP地址（通过查路由表） 但是我们只知道路由器B的IP地址不知道MAC地址啊！不知道MAC地址此时局域网通信就没法做！

所以说在同一网段中，必须要有一种技术，能够把下一跳IP地址转化成为下一跳主机的Mac地址！这种技术就叫ARP（地址解析协议）

2. ARP协议

虽然我们在这⾥介绍ARP协议, 但是需要强调, 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

2.1 ARP协议是什么以及其作用

ARP协议就是支持ip->Mac的协议！其作用就是支持局域网Mac级别的通信！

2.2 ARP协议原理

主机A向主机D发送信息，因为不知道MACD，于是相当于在局域网内进行以下广播：

cpp 复制代码

desmac：ffff ffff ffff 广播给所有设备
srcmac：MACA
data：谁是MACD？？
type：0806

于是设备BCD都一看是广播帧，于是都接收了，在ARP层一分析哦！原来是找设备D啊于是在没到ip层前就丢掉了！设备D的ARP层一看原来是找我！于是返回一下内容：

cpp 复制代码

desmac：MACA
srcmac：MACD
data：我是MACD MACD=XXXXXX
type：0806

设备BC在数据链路层一看desmac是MACA于是都不接收，直接丢弃，然后设备A收到后，就可以建立IP_A和MACA的映射了！

一句话总结：ARP原理就是先广播，再一对一发送MAC地址的过程！请求的报文是ARP层丢弃，应答的报文是MAC帧层丢弃的！

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

2.3 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，相当于是转MAC地址；
协议类型指要转换的地址类型， 0x0800为IPV4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（收到ARP数据永远先看op字段）。
如果目的以太网地址不知道则设置成全f

ARP数据报长度不足46字节，会自动补齐！

2.4 RARP( 逆地址解析协议)

可以将MAC地址转化为IP地址原理很简单有MAC地址就可以在对应局域网内发送数据帧然后目标主机返回对应IP地址即可！

2.5 ARP欺骗

结论：ARP缓存记录，只会记录最新的

ARP 欺骗发生在局域网内。正常情况下，设备会通过 ARP 表记录"某个 IP 地址对应哪个 MAC 地址"，例如：

text 复制代码

网关 IP 192.168.1.1 → 网关 MAC

攻击者伪造 ARP 应答，欺骗受害主机说：