【Linux】MAC帧协议 + ARP协议

📖 前言

在学完网络层IP协议之后，本章我们将继续向下沉一层，进入到数据链路层的学习。
该层有两个重要的协议需要我们来学习，一个是ARP协议，另一个就是MAC帧协议，这二者都是处于数据链路层。
ARP协议在MAC帧协议的上一层，它们属于上下层的关系。老规矩，我们先来认识报头的各个字段，再来学习它们的作用。搬好小板凳，我们马上开讲啦…

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1. 数据链路层

在内网（局域网）当中要进行转发的时候，首先要考虑的是，数据怎么从A主机送到出口路由器当中，这个工作就是数据链路层要解决的问题了。

IP地址的核心工作是提供一种能力，将数据从A主机经过路径选择交给B主机，一定是有目的IP不断地查路由表。

但是A和B根本就不在一个网段， 首先要解决的是将数据先从A主机送到下一跳的能力！！

当数据进行转发的时候，就是将数据从一个子网送到另一个子网的过程（重点）：

因为路由器是横跨两个子网的，所以只要将数据报转发到子网的路由器，这个路由器集联到下个子网的话，我们把这种在局域网内转发的行为，也可以称之为跨网络转发。

交付到路由器是一个内网转发的行为，但是逻辑上相当于将数据包从一个子网交到了下一个子网。

数据链路层能够将数据发送到内网中的任一台主机，也一定能将数据送到内网当中的任意一台路由器。只要这台路由器横跨两个网段，把数据交给这个路由器的过程，就意味着将数据交给了另一个网段，也就实现了跨网络传输的功能。

小结：

• 数据链路层： 提供了在内网中，从一点到另一点的能力。
• 网络层： 提供了寻找路径的能力。

数据链路层 + 网络层就能提供把数据从A主机跨网络，经过路径选择送到B主机的能力。

• 一旦此层转发有问题，传输层再继续让我们重发。
• 这几层就提供了将数据从A主机经过路径选择可靠的送到B主机的能力。
• 只要A主机能到B主机，那么就一定能从B主机到A主机。

所以传输，网络，链路核心解决的是数据包可靠传送的问题。

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2. MAC帧格式

MAC帧（Media Access Control Frame）是在计算机网络中用于数据传输的基本单位。它包含了数据链路层的头部和尾部，用于在物理介质上传输数据。

目的地址和源地址： 目的MAC地址和源MAC地址。

• 每一台主机在数据链路层当中都要有自己的身份标识，就是通过MAC地址标识的。
• MAC地址通常是48位的植入到网卡当中的具有唯一性标识的地址。
• 虽然全球唯一但是要求在局域网内唯一就可以了。

以太网或者令牌环网，是局域网当中所采用的标准：

• 局域网转发这件事上，底层网络通信的方式是有差异的，我们重点讲的是以太网帧格式。
• 底层网络有差异并不影响网络在全球的使用，原因就是有IP地址的存在，IP全球是唯一的。

报头和有效载荷如何分离：如何解包？

• 目的地址，原地址和类型固定大小的，最后有个CRC也是固定大小的。
• 所以以太网帧格式附加的相关的报头或者校验字段一共是18Byte。
• 在对帧格式在做提取时，可以6 Byte，6 Byte，2 Byte提取报头，再将最后4Byte扔掉，剩下的就是有效载荷。
• 所以能拆包也就一定能封装。

未来一个收到了MAC帧的主机，应该如何向上进行交付：如何分用？

• 两个字节的类型，我们称之为帧类型，通常代表的是有效载荷应该向上交付给哪一个协议。
• 例如：如果帧类型是0800对应的有效载荷就是IP数据包。
• 其他的类型就是对应的不同的字段。
• 所以就能知道数据载荷字段是什么类型，进一步再向上交付就可以了。

帧类型：

• 在MAC（媒体访问控制）帧协议中，类型字段（Type Field）是用来指示数据帧中所携带的上层协议类型的字段。
• 它位于MAC帧的报头部分，并占据2个字节（16位）。
• 类型字段的作用是告诉接收方如何解析数据帧的有效载荷部分。
• 通过读取类型字段的值，接收方可以确定上层协议的类型，并将数据帧传递给相应的协议栈进行进一步处理。

类型字段可以是：

• 0x0800：表示IPv4协议。
• 0x86DD：表示IPv6协议。
• 0x0806：表示ARP（地址解析协议）。
• 0x8100：表示VLAN（虚拟局域网）标记协议。

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3. 再谈局域网

局域网内，一个主机如何知道自己的报文应该交给哪台主机呢？是由报文所要去的目的IP地址决定的！！

将报文丢在局域网当中，每台主机都要收到这个报文：

• 凡是在局域网中的所有主机，无时无刻都要从局域网当中抓数据。
• 因为随时随地都要从局域网中拿数据。
• 主要局域网中有数据了，所有的主机都必须将报文拿到自己的主机里面。
• 因为只有拿到才能确认这个数据是不是发给自己的。
• 不管是不是发给自己的对于这台主机来讲都是有意义的。

数据在局域网中传输：

• 每一个主机都要获取。
• 每一个主机的哪一层协议先获取这个数据帧呢？
• • 数据链路层（不考虑物理层），网络永远都是终于链路层始于链路层的。
• 每一个主机数据链路层协议的解析（解包 + 分用）。
• 对比目的mac地址和自己的mac地址是否相同。
• • 相等：向上交付（根据类型），分用。
• • 不相等：丢弃，一旦底层将数据包丢弃了，上层就不知道有这个数据包的存在了。

抓包：

• 网卡有一种模式可以被设置叫做混杂模式。
• 网卡就不做数据筛选，直接将局域网读到的数据一股脑网上交付，这个就叫做抓包。

数据碰撞：

• 当多台主机同时向局域网内发送数据时，冲突吗？—— 冲突！！
• 因为在网络中走的都是一些光电信号，会互相进行干扰，那么谁发送的数据都没办法处理。
• 所以就要让冲突的几台主机，随机休眠上一段时间，再进行在局域网当中对数据做重发。
• 我们把这个局域网也叫做一个碰撞域。

交换机：

• 因为交换机这样的设备存在，将大的局域网划分成小的区域。
• 这个小的区域当中，合法请求转发，再小的区域中就能完成的通信过程就不要往外面却散了。
• 进而可以减少一个一个碰撞域的体积。
• 交换机除了在局域网当中进行数据帧转发（不转也能发送），核心工作：划分碰撞域。
• 在一定程度上，减缓主机之间碰撞的可能性。

要明确几点：

• 主机越多越好，还是越少越？
• • 好肯定是越少越好了，发生碰撞的概率越低
• 交换机或网桥：划分碰撞域（硬件上）。
• • 网卡和交换机都是工作在数据链路层的设备。
• 软件上减少局域网内碰撞的概率：
• 一般MAC帧一般体积不要过大，要对得上MTU的要求。

网络层IP报文分片的原因：

• 一旦碰撞了就是否定了之前所做的工作，曾经花费的成本就付之东流了。
• 所以MAC帧的体积不要太大，就要对上层提要求。
• 要求IP层发送的数据包不要太大，所以IP层才会分片，才有了MTU这样的概念。
• MAC帧规定上层交给它的数据（IP报文）不能超过1500Byte。

碰撞域在物理上减少主机的个数，在软件上减少报文的大小，进而就可以减少碰撞，还有一些碰撞避免的算法。

数据包的大小体积不由MAC帧决定（它只提标准），更不由网络层决定（它只是个跑腿的），而是由传输层（TCP/UDP） 决定，传输层决定了IP报文要不要分片的问题。

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4. ARP协议

4.1 路由器的转发过程：

• 当路由器接收到一个数据包时，它首先会解析以太网帧，提取出其中的MAC地址信息。
• 然后，路由器会根据目标IP地址在路由表中查找下一跳的信息。
• 接下来，路由器会封装数据包为新的以太网帧，更新目标MAC地址为下一跳的MAC地址，并将数据包发送到下一个路由器。这个过程被称为数据包的转发。
• 在下一个路由器上，类似的过程会再次发生。该路由器会解析以太网帧，提取出目标IP地址，并根据路由表确定下一跳的信息。
• 然后，它会封装数据包为新的以太网帧，更新目标MAC地址，并将数据包发送到下一个路由器或目标主机。

这样，数据包通过一系列的路由器转发，最终到达目标主机所在的网络。每个路由器都负责解析和封装以太网帧，以便在不同网络节点之间进行数据包的转发和路由选择。

4.2 ARP协议格式：

当我们数据包到了对方子网入口路由器时，怎么将数据包给指定主机呢？

路由器D只知道它收到的报文，将来是要给IP为主机C的IP的主机，并不知道主机C的MAC地址，所以没办法发送。

—— 所以有了ARP协议。

• 同层协议也有上下关系，ARP协议是MAC帧协议的上层。
• MAC帧协议数据除了是IP报文，也可能有ARP这样的协议充当MAC帧的有效载荷。

当路由器D收到了报文之后，并不知道目的主机的MAC地址：

• 那么能否确定该要找的主机就在这个局域网里呢？
• • 能知道！！因为当前是根据目的IP地址来判断的。
• • 具体来说就是根据网络号判断的。
• 只要判断在这个局域网，那么就在通信之前先进行ARP请求，得到主机C的MAC地址。
• 然后再路上封装MAC帧，将报文准确的一对一交给主机C。
• 至此就完成了数据包转发。

假设有主机A和主机B，主机A只知道主机B的IP地址，但是并不知道主机B的MAC地址。

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： 6个字节。

协议地址长度： 4个字节（IPv4）。

发送端以太网地址： MAC A。

发送端IP地址： IP A。

目的以太网地址： 全F。

目的IP地址： IP B。

路由器然后将整个报文封到了MAC帧的有效载荷，然后将数据帧转出去。

而数据帧在转的时候也不知道要转给谁，所以目的地址填的也是全F。
所以这个数据帧在转发的时候，在局域网当中就全部被转发，以播的形式被每个主机都收到了。

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5. 如何获得目的MAC地址

路由器MAC帧将ARP封装到了自己的有有效载之后，就要在局域网内广播：

• 那么每个主机都要提取，目的地址是全F，每一台主机都要处理（目的地址广播所有主机都要处理）。
• 每一台主机都要提取MAC帧的帧类型，帧类型是0806发现是ARP。
• 每一个主机都要将报文解开，将有效载荷交给上层ARP协议。
• ARP层接收到了先看目的IP地址，所有的主机都会拿着目的IP地址与自身的IP地址对比。
• 如果请求不是自己的，就在ARP层将数据包丢弃了。
• 这时是在ARP层丢弃的，并不是在MAC帧层丢弃的，但也是在数据链路层。

op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

1. 任何一台主机，可能同时在向别的主机发起ARP，也在接受别的主机给他的ARP应答！
2. 任何一台主机，都可能被发起ARP请求。

对于任何一台主机（重点）：

• 发出：
• • 一定发出的是ARP的请求。
• 接收：
• • 别人向我发起的ARP请求。
• • 我向别人发起ARP请求时，得到的ARP响应。

假设局域网内从A主机发送给B主机具体流程：

主机A要发起ARP了，填写报文的相应字段。主机A构建了一个ARP请求，并不是直接发过去的，而是交付给下一层。

局域网内，发出去的数据包一定能被主机B收到！！

主机B除外的其他主机收到报文后：

• 其他主机也能拿到这个报文，因为是广播，目的MAC地址全F。
• 于是其他主机就开始处理这个报文，在MAC帧层解包，然后将有效载荷交付给上一层（ARP层）。
• ARP层首先要提取出op字段，先根据op来判断这次的ARP报文是请求还是响应。
• 然后立马再看目的IP，一看填的是IPB和自己不一样，所以其他主机直接将报文丢弃。

主机B收到报文后：

• 与此同时，主机B也要做同样的工作，MAC帧层也要将报文的有效载荷交给ARP层。
• 主机B也要先提取op，发现是1，那就是请求。
• 然后立马再看目的IP，一看填的是IPB和自己的一样。
• 再看是哪个主机要请求主机B的MAC地址，提取出发送端以太网地址，和发送端IP地址。

主机B再下来就要构建一个ARP应答：

然后MAC帧就封装好了发送到局域网里，其他的主机也能收到，只不过在MAC帧层提取以太网目的地址时，发现和自己不一样，直接就将报文丢弃了。

所以第一次丢弃（发送时）和第二次丢弃（响应时）是不一样的！！第一次是在ARP层丢弃的，第二次是在MAC帧层丢弃的。

主机A收到报文后：

• 于是主机A收到了报文，在MAC帧层提取报头中的以太网目的地址，发现数据就是发给主机A的。
• 帧类型是0806是ARP，所以解包将报文直接向上交付给自己的ARP层。
• 接下来ARP层先看op，值为2代表的是应答。
• 就意味着主机A曾经向别的主机发起过ARP请求，这个时候请求的那个主机给我应答了。
• 这时主机A才获取发送端的以太网地址，发送端的IP地址。

所以主机A就得到了主机B，IP为B的主机的MAC地址。然后再将报文重新封装成MAC帧再定向的发送给主机B，此时就能正常的进行通信了。

衍生问题：

如果远方的发送主机，非常高频的向主机B发数据的话，难道每次发送每一个报文的时候都要遵守先ARP得到MAC地址，然后再向主机B发送的过程吗？

• 这是不是有点挫了？这样效率太低了！！
• ARP肯定不是每一次都要发起的，需要被缓存起来！谁请求？谁缓存！！
• 缓存的是目的IP和目的MAC的映射关系。
• 一旦经过一次ARP得到目的IP和目的MAC地址对的映射关系，在系统层面上缓存起来。
• 往后的再发的报文直接拿着目的IP去查表查到MAC地址就好了，然后再将报文发过去。

万一主机B的MAC地址发生变化了：

• 比如说这个主机不联网退出了，重新又接入了一台主机。
• 那么这个IP地址就被新主机拿到了（动态分配IP）。
• 所以这个缓存是暂时缓存，一般是15 ~ 20分钟（可以配置）。

这个缓存有个特点，因为MAC地址一直在变，所以就注定了这个缓存要保存最新的MAC地址。只要ARP比较新，就会重新更改缓存数据。

查看ARP缓存表：

Linux指令：arp -a

补充：

ARP的过程不是只在一个局域网内发生的， 而是在每一个局域网中发生，也可以在路由的路上进行ARP。