【Linux】网络--数据链路层--以太网

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一、以太网

以太网是一种技术标准，包含数据链路层以及物理层的内容，是当今世界上应用最广泛的局域网技术，其兼容性强，成本低，扩展性高

二、以太网帧格式

• 以太网帧

  • 目的地址和源地址：就是我们说的MAC地址，MAC地址是一种出厂固化的地址，是指网卡的硬件地址，共48位6字节
  • 类型：用于标识以太网首部后面所跟数据包的类型，即指示该帧处理完成后应被发送到哪个上层协议进行处理，共有三种协议：IP、ARP、RARP
  • 数据：就是有效载荷，也就是网络层报文
  • CRC：帧校验，通过算法对帧的某些值取出后进行计算得出的结果，接收方也有这样的一套算法，也会取出这些值进行计算，若两者结果相同，则说明帧正确，不相同则丢弃重发

• 图中下面三个就是不同类型的数据报的，其中类型很明确，0800是IP类型，0806是ARP类型，8035是RARP类型，除了类型以外的就是填充在以太网帧的数据段中的，也就是有效载荷，然后对于ARP和RARP，PAD是以太网帧的补位工具，因为要确保以太网帧的总长度要大于等于64帧

  • 其中ARP（地址解析协议）和RARP（反向地址解析协议），前者专门用来通过IP地址查找MAC地址，后者专门用来通过MAC地址查找IP地址，有关于它们的详细介绍下面我们再谈

三、局域网通信原理

• 局域网内通信
  

  • 假设此时局域网中只有MAC1在发消息，MAC1发送到局域网中的消息是会被所有主机接收的，只是我们当前MAC1发送的报文是给MAC5的，所以其他主机在收到消息之后，检查一下目标地址，嘿，不是我，那我扔了，之后MAC5在接收到消息后会将其继续向上传输

  • 实际上局域网是一种临界资源，我们在使用网络时发生卡顿，实际上是使用用户太多，其中的消息发送太多，消息和消息数据发生碰撞导致丢失重传

• 跨局域网通信
  

  • 发送的报文会在数据链路层拆下MAC报头，然后在网络层拆下IP报头，然后重新封装IP报头，重新封装MAC报头
  • MAC地址作用于局部，只知道下一站而不知道终点站，IP地址就是只知道终点站，而不知道下一站，相互配合下，实现最终到达终点站的目的

四、最大传输单元MTU

• 以太网帧中的数据长度规定最小为46字节，最大1500字节，最大值也被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
• 如果一个数据包长度大于MTU，那么就会对其进行分片
• 不同数据链路层标准的MTU不同
• TCP单个数据报的最大消息长度：MSS
  • 整个在以太网帧中，去掉以太网包装的头尾，再去掉IP报头，再去掉TCP报头，剩下的就是真正的数据的最大长度
  • 在MTU的情况下，剩下的这部分就是MSS，因为我们尽量的还是最好不要分片，所以这个MSS也是不分片的最大限度
  • MSS的值在TCP首部的40字节的变长选项中
  • 通信双方在三次握手的时候会写入交换MSS的值，选取最小的为最终的MSS
• 对于UDP来说MSS就比较简单了，加上报头等于MTU就行了

五、ARP协议

1、概念

• ARP协议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协议用来建立主机IP地址和MAC地址的映射关系，其特点就是知道通信对方的IP地址而不知道其MAC地址，通过ARP报文的作用，得到对方MAC地址，从而进行数据传输

2、ARP数据报格式

• 前两个就是目的MAC地址和源MAC地址：需要注意的是，这里的目的MAC地址填的是全F：FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示广播，因为我们不知道我们的目的MAC地址，所以我们要让所有主机收到这个信息
• 帧类型：0x0806，ARP数据报
• 硬件类型：指链路层网络类型，填1为以太网
• 协议类型：指要转换的地址类型，0x0800为IP地址（这里的类型格式同帧类型，指的是知道对方的IP地址，要转换成MAC地址）
• 硬件地址长度：就是MAC地址这样的硬件地址的长度，MAC地址的长度为6，所以填0x06
• 协议地址长度：就是IP地址这样的协议地址的长度，IPv4地址的长度为4,所以填0x04
• op：指操作码，1表示ARP请求，2表示ARP响应，3表示RARP请求，4表示RARP响应
• 发送端以太网地址：本机MAC地址
• 发送端IP地址：本机IP地址
• 目的以太网地址：全0（因为不知道）
• 目的IP地址：对方IP地址

3、ARP数据报工作流程

• 当网络层想要给对方发送消息时，发现没有对方的MAC地址只知道对方的IP地址（大部分情况下大家都是不知道对方的MAC地址的），然后就会构建一个ARP请求，在数据链路层的上层，封装一个报文填写方式按照前面的样式填写，然后交付到数据链路层，数据链路层给它做图中以太网首部以及最后一个CRC校验位的封装，封装完成后发到局域网中，所有在这个局域网中的主机都会收到这个信息，收到信息后拆下以太网报头以及CRC校验位，然后对op进行查看，发现报文是ARP请求，然后对目的IP值进行比对，发现不是发给自己的那就扔掉，是发给自己的那就收到后就得到了本机的MAC地址和IP地址，然后给本机一个响应，此时对方按照上面的字段对数据报进行填写，op此时是2，精准返回到请求方的主机，我们就知道对方的MAC地址和IP地址了

• 在收到ARP响应之后的本机会在自身的ARP表中维护一段时间的对方主机的信息，以便于继续发送消息，在经过这段时间之后，如果我们还要给对方主机发送消息，那么需要重新进行ARP请求

• 只能在局域网中进行ARP的请求

RARP数据报的工作流程

RARP的结构与ARP相同，只是更加简单，因为我们可以定向的将数据发送到指定的MAC主机，然后由这个主机再精准返回

六、详解NAT技术

1、NAT

前面详细的介绍过NAT技术，这是为了应对IP地址不足而做出的策略，将IP分为公网IP和私网IP，然后公网中不能出现私网IP，通过路由器层层转换，将私网IP转换为公网IP，但是在这里我们会有一个疑问，我们确实是发出去了，我也是唯一的，但是它回来的时候咋回来，一个局域网内有多个主机访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的，我们怎么能精准返回呢，这里就要请出NAPT来解决这个问题了

2、NAPT

NAPT使用IP地址+端口号来建立这个关系，就是我们前面在编程的时候所用到的端口号，也是我们一直没有提的，现在可以敞开说了

场景：路由器（NAPT设备）分配内网IP 192.168.1.0/24，公网IP为202.100.1.1。

1. 主机A（192.168.1.2:1000）访问百度

   • 原始数据包：源IP 192.168.1.2:1000 → 目标IP 180.101.49.12:80
   • NAPT转换：源IP变为202.100.1.1:50001（随机端口），记录映射表：192.168.1.2:1000 ↔ 202.100.1.1:50001
   • 发送至公网：源IP+端口为202.100.1.1:50001

2. 主机B（192.168.1.3:2000）同时访问百度

   • NAPT转换：源IP变为202.100.1.1:50002，映射表新增：192.168.1.3:2000 ↔ 200.100.1.1:50002
   • 公网看到两个不同端口的请求，均来自202.100.1.1

3. 百度响应时

   • 响应包目标IP+端口为202.100.1.1:50001（或50002）
   • NAPT设备根据映射表，将目标转换为192.168.1.2:1000（或192.168.1.3:2000），转发回对应主机

端口号是区分不同内网主机的唯一标识，NAPT设备通过维护动态映射表（IP+端口）实现双向通信

3、NAPT vs 基本NAT

特性	基本NAT（一对一）	NAPT（多对一）
地址消耗	每个设备需独立公网IP	多个设备共享1个公网IP
端口处理	端口不变	端口随机或指定范围映射
适用场景	服务器对外映射	家庭/企业内网共享上网

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今日分享就到这里了~