【Linux网络编程】数据链路层 | MAC帧 | ARP协议

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数据链路层

数据链路实现某一区间（一条）内的通信，而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点）。

跨网络的本质是经历不同的子网，也就是说子网之间的转发。因此跨网络转发先要保证同一个网段（局域网）相互之间先要实现转发。

以太网

什么是以太网

“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。

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。

1. 如何解包
   以太网报头是一个固定的，前面14个字节去掉以及最后4个字节去掉就是数据内容

2. 如何封装
   直接加上对应的字段即可

3. 如何分用
   将有效载荷交给上层，以太网帧格式有一个类型字段，0800表示IP数据报，以及0806、8035等
   

模拟局域网通信

主机A将报文发给主机G：首先主机A将报文发送到局域网中，此时所有的主机都可以接收到报文，以主机B为例，主机B在局域网上接收到主机A的报文，在数据链路层进行分用，读取到到的目的地址是主机G，因此主机B不会在再向上层交付，其余的主机也和主机B相似。

一般只允许一台主机往局域网中发送消息，如果多个主机发送信息，就会使得信息混乱，这个就是局域网中数据碰撞。此时需要执行碰撞避免算法：各自休眠上随机时间，这个时候别的主机可以发送。经过碰撞避免就减少了两个主机同时发送信息的概率。我们认为一个局域网就是一个碰撞域。

站在系统角度理解局域网：局域网被每一台主机共享，因此局域网是一个共享资源，任何时刻只保证一个主机在局域网中发送信息，这是临界资源，每一个主机的碰撞避免就保证该主机对临界资源的独占性。

一个局域网主机越多好还是越少好？局域网中主机数越多，碰撞的概率会更大，每一个主机发送信息成功的概率就越低了。当一个局域网主机数目变多，就需要引入一个设备交换机。

一个主机发送的报文每一个主机都能收到，数据链路层等代码也是公开的，因此就需要在应用层进行加密。

交换机

交换机是一个工作在数据链路层的局域网设备，会把一个局域网划分两个区域。

交换机内部会记录两个区域的主机mac地址信息，这样可以实现一个大的碰撞域划分成两个小的碰撞域。

因此，交换机的作用是划分碰撞域，减少碰撞概率。

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

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)。

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。

数据报报文格式

• 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