【Linux网络与网络编程】11.数据链路层mac帧协议ARP协议

news2025/4/20 21:12:08

前面在介绍网络层时我们提出来过一个问题：主机是怎么把数据交给路由器的？那里我们说这是由数据链路层来做的。

网络上的报文在物理结构上是以mac帧的形式流动的，但在逻辑上是以IP流动的，IP的流动是需要mac帧支持的。

数据链路层解决的是相邻节点间的通信问题。

1. 以太网

1.1 认识以太网

“以太网”不是一种具体的网络，而是一种技术标准。它既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。它不但规定了网络拓扑结构、访问控制方式、传输速率等问题；而且规定了以太网中的网线必须使用双绞线，其传输速率有 10M、100M、1000M…… 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 ……

1.2 以太网的帧格式

报头各部分的功能：

• 源地址和目的地址：指网卡的硬件地址（mac 地址）

• 类型：该字段有三种值，分别对应 IP、ARP、RARP

• CRC：校验码

关于mac地址

mac 地址用来识别数据链路层中相连的节点，它的长度为 48 位（ 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）。它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)。

2. MTU

2.1 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，若 ARP 数据包的长度不够 46 字节就要在后面补填充位。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 则需要对数据包进行分片。

我们可以通过ifconfig 命令查看 ip 地址、mac 地址和 MTU。

2.2 MTU对IP协议的影响

由于数据链路层 MTU 的限制，这使得对于较大的 IP 数据包要进行分包。

2.3 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。

2.4 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为 1460（1500 - 20(IP首部) - 20(TCP首部)），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。最理想的情况下就是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：

3. 局域网通信原理和交换机

3.1 局域网通信原理示意图

局域网中，任何时刻都只允许一台机器向网络中发送数据，如果有多台同时发送的话，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞。所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免。

如果碰撞了，涉及的主机该怎么办呢？

两台主机都会休眠一下，然后将数据重发（数据链路层也有重发机制）。

在没有交换机的情况下，一个局域网就是一个碰撞域。

从系统的角度来看，局域网就是一个临界资源，碰撞检测和碰撞避免就是保护临界资源，使得任何时刻都只有一台主机发送消息的策略和机制。

所以在一个局域网（碰撞域）中主机自然是越少越好，如果主机过多就要引入交换机了。

3.2 交换机

交换机的核心问题就是通过对局域网中的mac帧进行分析，从而划分碰撞域。

4. APR协议

曾经在介绍网络层时说到过，数据转发的时候用到的是IP地址，但是在局域网通信时我们使用的可是mac地址啊，所以这也就注定需要在局域网中提供一种将IP地址转化为mac地址的能力——ARP协议。

4.1 基本原理

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）。目的主机接收到广播的 ARP 请求后若发现其中的 IP 地址与本机相符，则将自己的硬件地址填写在应答包中，并发送 ARP 应答数据包给源主机。

总结来说就是：先广播，后单发。

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。

C:\Users\caryo>arp -a

接口: 172.18.154.182 --- 0xe
  Internet 地址         物理地址              类型
  169.254.169.254       cc-d8-1f-28-db-2f     动态
  172.18.145.119        ac-19-8e-6c-c5-8c     动态
  172.18.148.251        ac-50-de-88-fa-45     动态
  172.18.150.140        64-d6-9a-9a-37-1f     动态
  172.18.152.44         c4-d0-e3-64-de-35     动态

4.2 ARP协议报头

可以看出ARP协议是 mac 帧协议的上层协议，但是也属于数据链路层。

报头各部分的功能：

• 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：对于和 IP 地址为 4 字节

• op 字段：为 1 表示 ARP 请求，为 2 表示 ARP 应答

4.3 ARP的具体过程

如果路由器知道IP对应的MAC地址，那就可以直接发送，如果不知道，就要使用ARP协议获取目的MAC。

主机会通过广播发送 ARP 请求，这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址。目的MAC地址为全F(FF:FF:FF:FF:FF:FF)。局域网内的所有主机都会收到这个ARP请求，网卡识别目的MAC地址为全F，广播数据，需要向上交付，再根据帧类型识别是ARP请求/响应。所以向上交付给ARP协议。ARP协议先看op字段，如果为ARP请求，再看目的IP地址，除目的主机外，其他主机发现不是给自己的，就在ARP层丢弃报文。如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致，那么这个设备就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包返回给主机。