详解MAC帧、ARP、DNS、ICMP协议

局域网通信原理

比如新建了一个内网，如果一台机器A找机器B，封FRAME时（OSI的第二层用的数据格式），要封装对方的MAC，开始时A不知道B的MAC，只知道IP，它就发一个ARP包，源IP是自己的，目的IP是B的，源MAC是自己的，目的MAC是广播的。然后这个请求包在内网内被广播，当其他机器接到这个包时，用目的IP和自己的IP比较，不是的话就丢弃。B接到时，发现IP与自己的一样，就答应这个包的请求，把自己的MAC送给A。如果B是其他子网的机器，那么路由器会判断出B是其他子网，然后路由器把自己的MAC返回给A，A以后再给B发包时，目的MAC封装的是路由器的。

而局域网中任意时刻只能有一个主机发送消息，如果有多个消息被同时发送，会导致局域网的数据发生碰撞，发送无效，所以就有了以太网、令牌环网标准

令牌环网：局域网中持有令牌的人才可以放松消息

以太网：检测到发生碰撞，数据链路层协议就触发策略，暂时先不发送数据，等待一段时间，然后继续检测，这种策略称为：碰撞检测和碰撞避免算法

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;

局域网通信的协议通常使用以太网协议

局域网不能太大，因为碰撞基数太大，发送碰撞的概率就增加了，那如果局域网就是很大该怎么办？我们可以使用交换机，

交换机：可以识别局部性碰撞，对碰撞数据不进行转发，划分碰撞域

以太网帧格式

目的地址和源地址是指网卡的硬件地址，也叫MAC地址，长度是48位，是在网卡出厂时固定的；
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.如何分离

由于以太网帧的首部与末尾的字段都是定长的，可以直接拿到以太网帧中的数据。

2.如何分用

根据报头中 类型 字段，将有效载荷交付给上层对应的协议。

在局域网当中，在任何时刻，只能有一个主机发送消息，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，我们把一个局域网称为一个碰撞域

3.因为有碰撞域，一台主机发送数据的时候，是长了好还是短了好？

仔细看上图，规定为46-1500字节（MTU），如果小于46字节时，他会进行填充

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;

1.分片是只会在发送端分片吗？

并不是，在途中的路由器也可能会分片，不同的数据链路层标准的MTU是不同的

分片既然是不好的行为，那么我们该如何尽力避免分片呢？不知道大家还记不记得TCP的滑动窗口，滑动窗口为什么不一下把一大串数据全部发出去，而是分成很多段在发送出去，原因就在这里，一个数据包的最大长度称为MSS

MTU对于TCP/UDP协议的影响

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.

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(MaxSegment 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)

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;

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数据报格式

• 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。
• 帧类型是0806（ARP协议下）
• 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。

下面这张图，展现了为什么说ARP协议是工作在网络层和数据链路层之间的协议

如果帧类型是IP类型则会直接向上分用，但如果是ARP请求，则不会继续向上了

ARP欺诈

这样的话很容易被中间人窃取，但是有了CA证书等，中间人拿到了以后也无法解密

DNS

DNS：域名解析系统

DNS是一整套从域名映射到IP的系统，TCP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序. 但是IP地址不方便记忆.于是人们发明了一种叫主机名的东西, 是一个字符串, 并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系

DNS使用的是UDP协议

递归查询和迭代查询

这个视频讲解的很好https://www.bilibili.com/video/BV1JZ4y1f7tU/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=21f3027af56b85726fe87ebf679e81d1

ICMP协议

ICMP协议是一个 网络层协议
一个新搭建好的网络, 往往需要先进行一个简单的测试, 来验证网络是否畅通; 但是IP协议并不提供可靠传输. 如果丢包了, IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因

ICMP功能

ICMP正是提供这种功能的协议; ICMP主要功能包括:

确认IP包是否成功到达目标地址.
通知在发送过程中IP包被丢弃的原因.
ICMP也是基于IP协议工作的. 但是它并不是传输层的功能, 因此人们仍然把它归结为网络层协议;
ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6;

ICMP报文格式

ICMP大概分为两类报文:

一类是通知出错原因
一类是用于诊断查询

1.有些面试官可能会问: telnet是23端口, ssh是22端口, 那么ping是什么端口?

ping命令基于ICMP, 是在网络层. 而端口号, 是传输层的内容. 在ICMP中根本就不关注端口号这样的信息.