【数据链路层】网络基础 -- MAC帧协议与ARP协议

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

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在同一个局域网的主机，能不能直接通信？可以的，比如：
假如你正在上课，你的老师在课堂上问小明你昨天的作业怎么没做？这时候小明回答说他做了只不过交过去比较晚老师可能没看到。老师和小明交流的过程班级里面的其他同学都能听得见，而老师叫的是小明，他们提取出来的信息与他们无关，所以不做响应。局域网通信也是如此，每个主机都能接受到信息，但是与它们无关的信息不做响应。

每一台主机都要有唯一的标识符
每张网卡都要有唯一的一个sn，该网卡的mac地址，全球范围内具有唯一性

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；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(MAC帧)

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  • 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
  • 报头如何分离？
    MAC采用定长报头，向上交付只需要将前14字节与后4字节分开即可

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)

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

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，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

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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对于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)
  • 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)

MTU与MSS关系：
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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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再谈局域网转发原理（基于协议）

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结论:

  • 局域网中所有的主机其实都能收到对应的MAC帧，只不过大部分主机在自己的数据链路层通过对比数据帧中的目标MAC地址和自己的MAC地址是否相等，来决策要不要在进行后续处理!
  • 在局域网中，网卡有一种模式：混杂模式，不放弃任何数据帧，直接向上交付，这也是局域网抓包工具的原理!

在局域网中，任何时刻，只能有一个主机发送消息(如何做到：令牌环、以太网)。如果多个消息被同时发送，会导致局域网中的数据发生碰撞，无效数据。一个局域网，一个碰撞域

系统视角重新看待局域网 – 临界资源
碰撞检测+碰撞避免，任何一个时刻只有一台主机能够向临界资源中写入数据 – 临界区

交换机：
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交换机就是分割碰撞域：

  • 比如M1发给M6时有发生碰撞，那么经过交换机的时候，交换机就会将报文不做转发，也就是阻挡传递了。
  • M1给M4发，在同一碰撞域的数据，经过交换机，交换机也会阻挡
  • 只有局域网中没有碰撞，且数据是需要跨过交换机分割开的碰撞域的时候，才可以跨国交换机
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ARP协议

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;

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比如：你上大学，虽然说学号可以管理每个人，但是老师在上课的时候还是希望通过你的名字来叫你，但是老师只知道一个学号区间，所以就通过这个学号来问大家，比如10号是谁，这个10号肯定有且只标识一个人。

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

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  • 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，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
  • 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

ARP数据报的格式

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  • 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
  • 协议地址长度对于和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

MAC帧、IP与ARP的关系：
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模拟ARP请求：
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我们发送协议报文时，我们不知道目标的MAC地址就填为全F（我们本来就是因为不知道目标主机的MAC地址才发送ARP请求的）

ARP层在收到报文后，要先看OP字段，而不是直接看目标IP地址。因为：我们可能是收到ARP请求，也可能是曾经向别人发送的ARP请求的ARP应答。

ARP的结果是会被暂时缓存起来的

ARP欺骗：

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RARP协议就是知道MAC地址，用来得到IP地址的协议。

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