Linux从青铜到王者第二十一篇:Linux网络基础第三篇之数据链路层

Posted 2021-09-05 森明帮大于黑虎帮

系列文章目录

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文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、 数据链路层的以太网协议
• 二、认识MAC地址
• 三、对比理解MAC地址和IP地址
• 四、ARP协议的作用
• 五、ARP数据报格式
• 五、ARP协议工作流程
• 六、ARP缓存表
• 七、DNS(Domain Name System)
• 八、NAT协议
• 九、NAPT协议(动态NAT重载)
• 十、ICMP协议
• 十一、ping命令
• 总结

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前言

数据链路层用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递!

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一、 数据链路层的以太网协议

数据链路层的以太网协议本质上其实就是相邻设备之间的数据转发。

以太网协议格式：

• 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。
  

二、认识MAC地址

MAC地址：每一个网卡设备在出厂的时候都会拥有一个全球独一无二的MAC地址，MAC地址也被称为硬件的地址。

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)。
• 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)。
  

以太网格式中的类型(2位)：

表示的是上层使用了什么协议 (ip / ARP协议)。

有效载荷：[46 ~ 1500]字节：

如果网络层递交给数据链路层的数据不够46字节，则会对数据进行相应补0的操作。1500字节刚好是MTU（最大传输单元）的上限。

CRC：：

校验帧尾，检验数据在传输过程中是否失真。

三、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。
  

四、ARP协议的作用

上面其实我们也谈到了以太网协议格式，我们可以看到格式中的目的地址和源地址指的是目的MAC地址和源MAC地址，换句话说，数据在数据链路层进行发生的时候，需要知道目标主机MAC地址，但是网络层的协议递交给数据链路层的数据仅仅包含目标主机的ip地址，我们无法获知其对应的MAC地址，那么，我们该如何获取目标主机的MAC地址呢？

• 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协议就是用来解决此类问题的，他可以通过ip地址获取对应的MAC地址。

注意：这里的ip地址本质上是通过路由项计算出来的接下来该条数据该去往的ip地址，而不是自己本身该去的ip地址。

因此，可以说ARP协议是介于网络层和数据链路层之间的协议，话句话来说就是ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

五、ARP数据报格式

首先我们来看一下以太网首部的格式：

• 以太网目的地址：在ARP请求中，目的MAC地址填充为：0xFFFFFFFF，表示当前这条数据给子网当中的每一条机器都进行转发。
• 以太网源地址：就是源MAC地址，就是当前主机的MAC地址。
• 帧类型：上级协议(ARP协议)
  

28字节ARP请求/应答:

• 硬件类型：当前的网络类型：以太网、令牌环网。
• 协议类型：要转换的地址类型，ip转换为MAC。
• 硬件地址长度：表示MAC地址长度。
• 协议地址长度：表示ip地址长度。
• op：标识是请求还是应答
  1:请求
  2:应答
  

五、ARP协议工作流程

是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址，通俗来讲就是获取相邻设备的MAC地址。
如果目标主机不在同一个链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。不过ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6

那么ARP又是如何知道MAC地址的呢？简单地说，ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的。

假定主机A向同一链路上的主机B发送IP包，主机A的IP地址为172.20.1.1，主机B的IP地址为172.20.1.2，它们互不知道对方的MAC地址。

主机A为了获得主机B的MAC地址，起初要通过广播发送一个ARP请求包。这个包中包含了想要了解其MAC地址的主机IP地址。也就是说，ARP请求包中已经包含了主机B的IP地址172.20.1.2。由于广播的包可以被同一个链路上所有的主机或路由器接收，因此ARP的请求包也就会被这同一个链路上所有的主机和路由器进行解析。如果ARP请求包中的目标IP地址与自己的IP地址一致，那么这个节点就将自己的MAC地址塞入ARP响应包返回给主机A。

总之，从一个IP地址发送ARP请求包以了解其MAC地址（ARP请求包还有一个作用，那就是将自己的MAC地址告诉给对方）,目标地址将自己的MAC地址填入其中的ARP响应包返回到IP地址。由此，可以通过ARP从IP地址获得MAC地址，实现链路内的IP通信。

• 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。

使用抓包工具进行分析:

六、ARP缓存表

使用arp -a查看arp缓冲表:

如果每发送一个IP数据报都要进行一次ARP请求以此确定MAC地址，那将会造成不必要的网络流量，因此，通常的做法是把获取到的MAC地址缓存（是指预见到同样的信息可能会再次使用，从而在内存中开辟一块区域记忆这些信息） 一段时间。即把第一次通过ARP获取到的MAC地址作为IP对MAC的映射关系记忆（记录IP地址与MAC地址对应关系的数据库叫做ARP表） 到一个ARP缓存表中，下一次再向这个IP地址发送数据报时不需再重新发送ARP请求，而是直接使用这个缓存表当中的MAC地址进行数据报的发送。每执行一次ARP，其对应的缓存内容都会被清除。不过在清除之前都可以不需要执行ARP就可以获取想要的MAC地址。这样，在一定程度上也防止了ARP包在网络上被大量广播的可能性。

当然ARP是有老化时间的，老化时间为20min，会进行相应的更新。
arp协议只能在子网内部使用，只能给子网内部的机器进行广播arp请求。换句话说，只能获取子网内部机器的MAC地址。

那么问题来了，IP地址和MAC地址缺一不可吗？

① 数据链路上只要知道接收端的MAC地址不就知道数据是准备发送给主机B的吗，那还需要知道它的IP地址吗？
② 只要知道了IP地址，即使不做ARP，只要在数据链路上做一个广播不就能发给主机B了吗？”那么，为什么既需要IP地址又需要MAC地址呢?

主机A想要发送IP数据报给主机B时必须得经过路由器C。即使知道了主机B的MAC地址，由于路由器C会隔断两个网络，还是无法实现直接从主机A发送数据报给主机B。此时，主机A必须得先将数据报发送给路由器C的MAC地址C1。

如此看来，IP地址和MAC地址两者缺一不可。于是就有将这两个地址相关联的ARP协议（为了避免这两个阶段的通信带来过多的网络流量，ARP具有对IP地址和MAC地址的映射进行缓存的功能。有了这个缓存功能，发送IP包时就不必每次都发送ARP请求，从而防止性能下降）。

七、DNS(Domain Name System)

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。

cat /etc/hosts 查看hosts文件内容

DNS是一整套从域名映射到IP的系统。DNS协议本身是应用层的协议，并且在传输层使用的UDP协议。也叫域名解析协议，他的作用就是将域名解析为ip地址。

• 域名：
• 一级域名：.com、.cn、.gov、.us。
• 二级域名：baidu.com、jd.com、taobao.com。
• 三级域名：baike.baidu.com。
• 域名服务器：
• 根域名服务器：给其他域名服务器做授权使用。
• 一级域名服务器：管理一级域名。
• 二级域名服务器：管理二级域名。
• 三级域名服务器：管理三级域名。

至今, 我们的计算机上仍然保留了hosts文件，在域名解析的过程中仍然会优先查找hosts文件的内容。

域名解析的流程：

递归域名解析：
迭代法域名解析:

八、NAT协议

之前我们讨论了,IPv4协议中, IP地址数量不充足的问题，NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能，NAT也叫地址转换协议。

• 作用：

• 私网对公网请求的时候：将网络数据当中的私网的源ip地址转化成为公网的ip地址。
• 公网对私网的应答：将网络数据当中的公网的目的ip地址转化成为私网的ip地址。
  
• 静态NAT：NAT协议，将一个私网和一个公网唯一进行映射管理。
• 动态NAT：NAT管理的不止是一个公网ip，当私网数据到来的时候，选择一个空闲的ip进行映射。

NAT的工作机制：

如上图，以10.0.0.10的源主机与163.221.120.9的目的主机进行通信为例。利用NAT，途中的NAT路由器将发送源地址从10.0.0.10转换为全局的IP地址（202.244.174.37）再发送数据。反之，当包从地址163.221.120.9发过来时，目标地址（202.244.174.37）先被转换成私有IP地址10.0.0.10以后再被转发（在TCP或UDP中，由于IP首部中的IP地址还要用于校验和的计算，因此当IP地址发生变化时，也需要相应地将TCP、UDP的首部进行转换）

总结一下就是：不管是静态NAT还是动态NAT，都没有缓解ipv4枯竭的问题，本质上还是一个私网IP一定要对应一个公网ip，才能访问互联网。

九、NAPT协议(动态NAT重载)

在进行私网ip转化为公网ip的时候，不仅仅将ip地址转换掉了，并且还将传输层的端口也转换掉了。

主机163.221.120.9的端口号是80，LAN中有两个客户端10.0.0.10和10.0.0.11同时进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是1025。此时，仅仅转换IP地址为某个全局地址202.244.174.37，会令转换后的所有数字完全一致。为此，只要将10.0.0.11的端口号转换为1026就可以解决问题。如图所示，生成一个NAPT路由器的转换表，就可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端A、B能同时与服务器之间进行通信。

这种转换表在NAT路由器上自动生成。例如，在TCP的情况下，建立TCP连接首次握手时的SYN包一经发出，就会生成这个表。而后又随着收到关闭连接时发出FIN包的确认应答从表中被删除（UDP中两端应用进行通信时起止时间不一定保持一致，因此在这种情况下生成转换表相对较难） 。

注：在使用TCP或UDP的通信当中，只有目标地址、源地址、目标端口、源端口以及协议类型（TCP还是UDP）五项内容都一致时才被认为是同一个通信连接。此时所使用的正是NAPT。

NAPT的场景下，一个公网ip，理论上最大可以转换多少个私网ip？

216 = 65536个，即 0 ~ 65535。

对NAT协议的总结：

• NAT网关对于私网主机和公网主机而言，是透明的，双方在通信过程中是无感知的。
• NAT网关会保存转换之后的映射关系，防止应答回来之后再次进行转换。
• 私网 =》公网：是将网络数据当中的源ip地址修改为公网ip地址。
• 公网 =》私网：是将网络数据当中的目的ip地址修改成为私网ip地址。
• NAPT增加了端口的转换，就可以让一个公网ip服务多个私网主机。缓解了ip地址枯竭的问题数据只能先从私网到公网，不能从公网到私网。

十、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：
• 确认IP包是否成功到达目标IP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。

十一、ping命令

• 注意, 此处 ping 的是域名, 而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址。
• ping命令不光能验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live, 生存周期）。
• ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端。
• 对端接收到之后, 会返回一个ICMP Echo Reply。

一个值得注意的坑：

• 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?千万注意!!! 这是面试官的圈套!

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。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文详细介绍了数据链路层以太网协议等协议，网络提供了大量的方法供我们使用，非常的便捷，我们务必掌握！到这里网络这部分就结束了哦，后面还会有新的只是更新，希望大家多多支持！另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。加油啊！