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【Linux网络编程】数据链路层

ai 2025/7/17 8:19:14

认识以太网

以太网帧格式

认识MAC地址

认识MTU

MTU对IP协议的影响

MTU对UDP协议的影响

MTU对TCP协议的影响

ARP协议

ARP协议的作用

ARP数据包的格式

ARP协议的工作流程

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；即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：规定了网络拓扑结果，访问控制方式，传输速率等等。

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

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（6个字节），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。

认识MAC地址

MAC地址是用来识别数据链路层种相关的节点。

长度位48位，即6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式表示(例如:08:00:27:03:fb:19)；

可以通过arp -a命令查看。

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

数据链路层规定对应的报文大小不能超过最大传输单元(MTU)；否则需要对数据包进行分片(fragmentation)，这个工作是在网络层完成的，网络层的IP协议中的16位标识，3位标志，13位片偏移可以实现数据包的分片和组装工作。

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；

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；

MTU对UDP协议的影响

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TCP协议的影响

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)。

ARP协议

如上图，主机A在向主机B发送数据的时候，是需要将数据进行一层一层的封装，向下交付，到达网络层，需要封装IP报头，其中包含源IP地址和目标主机的IP地址。到达数据链路层时，需要加上MAC帧报头，其中包含源MAC地址和目标主机的MAC地址。

但是现在的问题是，当前的两台主机只能知道对方的IP地址，不知道对方的MAC地址，需要进行通信，必须要先获取到对方的MAC地址。这时就需要使用ARP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（MAC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数据包的格式

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。

ARP协议的工作流程

源主机发出 ARP 请求，询问“IP地址是 172.20.1.2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。