【LInux網絡】數據鏈路層 - 深度理解以太網和APR協議

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文章目錄

  • 🏳??🌈一、認識以太網
    • 1.1 以太網幀格式
    • 1.2 認識 MAC 地址
    • 1.3 對比理解 MAC 地址和 IP 地址
    • 1.4 認識 MTU
    • 1.5 MTU 對 IP 協議的影響
    • 1.6 MTU 對 UDP 協議的影響
    • 1.7 MTU 對于 TCP 協議的影響
    • 1.8 查看硬件地址和 MTU
  • 🏳??🌈二、ARP 協議
    • 2.1 ARP 協議的作用
    • 2.2 ARP 協議的工作流程
      • 2.2.1 查詢ARP緩存
      • 2.2.2 發送ARP請求
      • 2.2.3 接收并處理ARP請求
      • 2.2.4 發送ARP響應
      • 2.2.5 接收并處理ARP響應
      • 2.2.6 數據傳輸
      • 2.2.7 ARP緩存的更新和管理
    • 2.3 ARP 數據報的格式
  • 👥總結

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數據鏈路層

用于兩個設備(同一種數據鏈路節點)之間進行傳遞.

🏳??🌈一、認識以太網

  • “以太網” 不是一種具體的網絡, 而是一種技術標準; 既包含了數據鏈路層的內容, 也包含了一些物理層的內容. 例如: 規定了網絡拓撲結構, 訪問控制方式, 傳輸速率等;
  • 例如以太網中的網線必須使用雙絞線; 傳輸速率有 10M, 100M, 1000M 等;
  • 以太網是當前應用最廣泛的局域網技術; 和以太網并列的還有令牌環網, 無線LAN 等;

1.1 以太網幀格式

以太網的幀格式如下所示：
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  • 源地址和目的地址是指網卡的硬件地址(也叫 MAC 地址), 長度是 48 位,是在網卡出廠時固化的;
  • 幀協議類型字段有三種值,分別對應 IP、ARP、RARP;
  • 幀末尾是 CRC 校驗碼。

1.2 認識 MAC 地址

  • MAC 地址用來識別數據鏈路層中相連的節點;
  • 長度為 48 位, 長 6 個字節. 一般用 16 進制數字加上冒號的形式來表示(例如:08:00:27:03:fb:19)
  • 在網卡出廠時就確定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的
  • 虛擬機中的 mac 地址不是真實的 mac 地址, 可能會沖突; 也有些網卡支持用戶配置 mac 地址

1.3 對比理解 MAC 地址和 IP 地址

  • IP 地址描述的是路途總體的 起點 和 終點;
  • MAC 地址描述的是路途上的每一個區間的起點和終點;

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1.4 認識 MTU

  • MTU 相當于發快遞時對包裹尺寸的限制. 這個限制是不同的數據鏈路對應的物理層, 產生的限制.
  • 以太網幀中的數據長度規定最小 46 字節,最大 1500 字節,，ARP 數據包的長度不夠 46 字節,要在后面補填充位;
  • 最大值 1500 稱為以太網的最大傳輸單元(MTU),不同的網絡類型有不同的MTU;
  • 如果一個數據包從以太網路由到撥號鏈路上，數據包長度大于撥號鏈路的 MTU了,則需要對數據包進行分片(fragmentation);
  • 不同的數據鏈路層標準的 MTU 是不同的;

1.5 MTU 對 IP 協議的影響

由于數據鏈路層 MTU 的限制, 對于較大的 IP 數據包要進行分包.

  • 將較大的 IP 包分成多個小包, 并給每個小包打上標簽(分包和加標簽);
  • 每個小包 IP 協議頭的 16 位標識(id) 都是相同的(標簽原則);
  • 每個小包的 IP 協議頭的 3 位標志字段中, 第 2 位置為 0, 表示允許分片, 第 3 位來表示結束標記(當前是否是最后一個小包, 是的話置為 1, 否則置為 0)(標簽原則);
  • 到達對端時再將這些小包, 會按順序重組, 拼裝到一起返回給傳輸層(合并小包);
  • 一旦這些小包中任意一個小包丟失, 接收端的重組就會失敗. 但是 IP 層不會負責重新傳輸數據;(丟包情況)

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1.6 MTU 對 UDP 協議的影響

讓我們回顧一下 UDP 協議:

  • 一旦 UDP 攜帶的數據超過 1472(1500 - 20(IP 首部) - 8(UDP 首部)), 那么就會在網絡層分成多個 IP 數據報.
  • 這多個 IP 數據報有任意一個丟失, 都會引起接收端網絡層重組失敗. 那么這就意味著, 如果 UDP 數據報在網絡層被分片, 整個數據被丟失的概率就大大增加了.

1.7 MTU 對于 TCP 協議的影響

讓我們再回顧一下 TCP 協議:

  • TCP 的一個數據報也不能無限大, 還是受制于 MTU. TCP 的單個數據報的最大消息長度, 稱為 MSS(Max Segment Size);
  • TCP 在建立連接的過程中, 通信雙方會進行 MSS 協商.
  • 最理想的情況下, MSS 的值正好是在 IP 不會被分片處理的最大長度(這個長度仍然是受制于數據鏈路層的 MTU).
  • 雙方在發送 SYN 的時候會在 TCP 頭部寫入自己能支持的 MSS 值.
  • 然后雙方得知對方的 MSS 值之后, 選擇較小的作為最終 MSS.
  • MSS 的值就是在 TCP 首部的 40 字節變長選項中(kind=2);

MSS 和 MTU 的關系

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1.8 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;

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🏳??🌈二、ARP 協議

雖然我們在這里介紹 ARP 協議, 但是需要強調, ARP 不是一個單純的數據鏈路層的協議, 而是一個介于數據鏈路層和網絡層之間的協議;

?ARP 請求主要發生在局域網中，用于同一子網內的設備通信

2.1 ARP 協議的作用

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ARP 協議建立了主機 IP 地址 和 MAC 地址 的映射關系.

  • 在網絡通訊時，源主機的應用程序知道目的 主機的 IP 地址 和 端口號，卻不知道目的主機的硬件地址;
  • 數據包首先是被網卡接收到再去處理上層協議的，如果接收到的數據包的硬件地址與本機不符，則直接丟棄;
  • 因此在通訊前必須獲得目的主機的硬件地址;

2.2 ARP 協議的工作流程

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  • 源主機發出 ARP 請求,詢問“IP 地址是 192.168.0.1 的主機的硬件地址是多少”, 并將這個請求廣播到本地網段(以太網幀首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示廣播);
  • 目的主機接收到廣播的 ARP 請求,發現其中的 IP 地址與本機相符,則發送一個ARP 應答數據包給源主機,將自己的硬件地址填寫在應答包中;
  • 每臺主機都維護一個 ARP 緩存表,可以用 arp -a 命令查看。緩存表中的表項有過期時間 (一般為 20 分鐘),如果 20 分鐘內沒有再次使用某個表項,則該表項失效,下次還要發 ARP 請求來獲得目的主機的硬件地址

ARP協議具體工作流程：

ARP（地址解析協議）的工作流程是一個用于在同一局域網內根據 IP地址 解析出對應 MAC地址 的過程。

2.2.1 查詢ARP緩存

當 主機A 需要向 主機B 發送數據時，它首先會在自己的ARP緩存中查找是否已經有主機B的IP地址與MAC地址的映射關系。

  • 如果在ARP緩存中找到了主機B的MAC地址，那么主機A會直接使用該MAC地址進行數據封裝和發送，跳過后續的ARP請求和響應步驟。
  • 如果在ARP緩存中沒有找到主機B的MAC地址，那么主機A會進行下一步的ARP請求

2.2.2 發送ARP請求

主機A 會構造一個ARP請求報文，該報文包含了以下內容：

  • 源主機 的 IP地址 和 MAC地址（即主機A的IP地址和MAC地址）。
  • 目標主機 的 IP地址（即主機B的IP地址），但目標主機的 MAC 地址字段通常填充為全0，表示未知。

然后，主機A會以 廣播 的方式將ARP請求報文發送到本地網絡上的所有主機。這個廣播報文會被網絡上的每一臺主機接收到。

2.2.3 接收并處理ARP請求

網絡上的 每一臺主機 都會檢查接收到的ARP請求報文中的 目標IP地址 是否與 自己的IP地址 匹配。

  • 如果不匹配，該主機將丟棄ARP請求報文，不做任何處理。
  • 如果匹配（即該主機是主機B），那么主機B會進行下一步的ARP響應。

在響應之前，主機B 還會將ARP請求報文中的源主機的IP地址和MAC地址（即主機A的IP地址和MAC地址）添加到自己的ARP緩存中，以備將來使用。

2.2.4 發送ARP響應

主機B 會構造一個ARP響應報文，該報文包含了以下內容：

  • 源主機的IP地址和MAC地址（即 主機B 的 IP地址 和 MAC地址）。
  • 目標主機的IP地址和MAC地址（即 主機A 的 IP地址 和 MAC地址，但這里的MAC地址是已知的，因為是從ARP請求報文中獲取的）。
  • 然后，主機B 會以 單播 的方式將ARP響應報文發送回主機A。

2.2.5 接收并處理ARP響應

主機A 接收到 主機B 發送的ARP響應報文后，會從中提取出主機B的MAC地址，并將其添加到自己的ARP緩存中，與主機B的IP地址形成映射關系。

至此，主機A 已經成功獲取到了 主機B 的MAC地址，可以開始進行數據的封裝和發送了。

2.2.6 數據傳輸

一旦獲得了目標MAC地址，主機A 就可以將數據封裝成幀，并將其發送到網絡上。這個幀包含了源MAC地址（主機A的MAC地址）、目標MAC地址（主機B的MAC地址）以及要傳輸的數據。

2.2.7 ARP緩存的更新和管理

ARP緩存 中的條目通常有一個生存時間（TTL），過期后會被自動刪除。這樣，當網絡拓撲結構發生變化時（例如，主機B的MAC地址發生變化），ARP緩存中的舊條目會被自動清除，新的ARP請求和響應過程會重新進行，以確保數據的正確傳輸。

此外，ARP緩存還可以手動清除或刷新，以適應網絡環境的變化。

綜上所述，ARP協議的工作流程是一個動態的過程，它通過ARP請求和響應來解析IP地址與MAC地址的映射關系，從而實現數據的正確傳輸。

2.3 ARP 數據報的格式

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  • 注意到源 MAC 地址、目的 MAC 地址在以太網首部和 ARP 請求中各出現一次,對于鏈路層為以太網的情況是多余的,但如果鏈路層是其它類型的網絡則有可能是必要的。
  • 硬件類型指鏈路層網絡類型,1 為以太網;
  • 協議類型指要轉換的地址類型,0x0800 為 IP 地址;
  • 硬件地址長度對于以太網地址為 6 字節;
  • 協議地址長度對于 IP 地址為 4 字節;
  • op 字段為 1 表示 ARP 請求,op 字段為 2 表示 ARP 應答。

👥總結

本篇博文對 【LInux網絡】數據鏈路層 - 深度理解以太網和APR協議 做了一個較為詳細的介紹，不知道對你有沒有幫助呢

覺得博主寫得還不錯的三連支持下吧！會繼續努力的~

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