Linux C高级编程——网络编程之以太网

Posted 2020-10-01 gccbuaa

Linux网络编程——以太网

宗旨：技术的学习是有限的，分享的精神是无限的。

1、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，是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令查看，“ 硬件地址 00:0c:29:cf:7e:1a ” 。协议字段有三种值，分别相应IP、 ARP、 RARP。帧末尾是CRC校验码。

        ARP和RARP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，假设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。则须要对数据包进行分片（ fragmentation）。

ifconfig查看“ MTU:1500”。

MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包含帧首部的长度。

2、数据报格式

        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port号。却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，假设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协议就起到这个作用。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，发现当中的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，能够用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），假设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。

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，但假设链路层是其他类型的网络则有可能是必要的。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，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节）。op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

比如请求帧：

以太网首部（ 14字节）

0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06

ARP帧（ 28字节）

0000: 00 01

0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37

0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 0218

填充位（ 字节）

0020: 00 77 31 d2 50 10

0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太网首部：目的主机採用广播地址，源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8。上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网。协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC地址）长度为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址。源主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8，源主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主机MAC地址全0待填写。目的主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2）。

因为以太网规定最小数据长度为46字节。 ARP帧长度仅仅有28字节。因此有18字节填充位，填充位的内容未定义，与详细实现相关。

应答帧例如以下：

以太网首部

0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06

ARP帧0000: 00 01

0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02

0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37

填充位0020: 00 77 31 d2 50 100030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太网首部：目的主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主机的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40。上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议。硬件地址（ MAC地址）长度为6，协议地址（ IP地址）长度为4，op为0x0002表示应答，源主机MAC地址为00:05:5d:a1:b8:40，源主机IP地址为c0 a8 00 02（ 192.168.0.2）。目的主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8。目的主机IP地址为c0 a8 00 37（ 192.168.0.55）。

3、数据报格式

        IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的。但总是4字节的整数倍。对于IPv4，4位版本号字段是4。4位首部长度的数值是以4字节为单位的。最小值为5。也就是说首部长度最小是4x5=20字节，也就是不带不论什么选项的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是说首部长度最大是60字节。8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级（眼下已经废弃不用），还有4个位表示可选的服务类型（最小延迟、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），另一个位总是0。

总长度是整个数据报（包含IP首部和IP层payload）的字节数。每传一个IP数据报，16位的标识加1，可用于分片和又一次组装数据报。3位标志和13位片偏移用于分片。 TTL（Time to live)是这样用的：源主机为数据包设定一个生存时间，比方64，每过一个路由器就把该值减1。假设减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络，就丢弃该包，因此这个生存时间的单位不是秒，而是跳（hop）。协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。然后是校验和，仅仅校验IP首部，数据的校验由更高层协议负责。IPv4的IP地址长度为32位。

4、IP地址

        IPv4的IP地址长度为4字节，通常採用点分十进制表示法（dotted decimal representation）比如0xc0a80002表示为192.168.0.2。 Internet被各种路由器和网关设备分隔成非常多网段。为了标识不同的网段，须要把32位的IP地址划分成网络号和主机号两部分。网络号同样的各主机位于同一网段，相互间能够直接通信，网络号不同的主机之间通信则须要通过路由器转发。

A类 0.0.0.0到127.255.255.255

B类 128.0.0.0到191.255.255.255

C类 192.0.0.0到223.255.255.255

D类 224.0.0.0到239.255.255.255

E类 240.0.0.0到247.255.255.255

        一个A类网络可容纳的地址数量最大，一个B类网络的地址数量是65536。一个C类网络的地址数量是256。 D类地址用作多播地址。 E类地址保留未用。

        网络号和主机号的划分须要用一个额外的子网掩码（subnet mask）来表示，而不能由IP地址本身的数值决定，也就是说，网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、 B类还是C类无关，因此称为Classless的。

这样，多个子网就能够汇总（summarize）成一个Internet上的网络，比如，有8个网站都申请了C类网络，本来网络号是24位的，可是这8个网站通过同一个ISP（Internet serviceprovider）连到Internet上，它们网络号的高21位是同样的，仅仅有低三位不同，这8个网站就能够汇总，在Internet上仅仅须要一个路由表项，数据包通过Internet上的路由器到达ISP，然后在ISP这边再通过次级的路由器选路到某个网站。

比如：子网1

子网2：

        IP地址与子网掩码做与运算能够得到网络号。主机号从全0到全1就是子网的地址范围。IP地址和子网掩码另一种更简洁的表示方法。比如140.252.20.68/24。表示IP地址为140.252.20.68。子网掩码的高24位是1。也就是255.255.255.0。

        假设一个组织内部组建局域网， IP地址仅仅用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上使用随意的IP地址都能够。可是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址，这些地址不会出如今Internet上，例如以下表所看到的。

10.*，前8位是网络号，共16,777,216个地址

172.16.*到172.31.*。前12位是网络号。共1,048,576个地址

192.168.*，前16位是网络号。共65,536个地址

        127.*的IP地址用于本机环回(loop back)測试，一般是127.0.0.1。loopback是系统中一种特殊的网络设备。假设发送数据包的目的地址是环回地址，或者与本机其他网络设备的IP地址同样，则数据包不会发送到网络介质上，而是通过环回设备再发回给上层协议和应用程序。主要用于測试。