深入理解数据链路层：以太网帧格式、MAC地址、交换机、MTU及ARP协议详解与ARP欺骗探究

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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.

• 路由器收到一个报文的时候，会根据报文携带的目的IP来决定下一跳（查找路由表），自己的路由表中，会包含直接或间接相连的子网的网络号与子网掩码，包括缺省路由。

• 跨网络转发到目标主机：本质是一个报文经历了很多个子网。

数据链路层我们要研究的是：局域网通信的问题，同一个网段之间，如何通信的。

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; 既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: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;

• 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,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).
  

转发图：

交换机与碰撞域的划分

在没有交换机的情况下，局域网中的每一份报文都会被发送到该网络内的所有主机上。然而，除了目标主机外，这些报文对其他主机来说是无用的，并且这种广播方式还会显著增加数据包碰撞的风险。交换机的引入则有效地缓解了这一问题。

交换机通过将局域网中的主机逻辑上划分为不同的碰撞域（通常以交换机端口为界），显著提升了网络通信的效率。具体来说，当左侧端口的主机向同侧的另一主机发送报文时，交换机会智能地将该报文仅转发给左侧端口连接的所有主机，而不会干扰到右侧端口连接的主机。这一机制有效避免了不必要的广播，降低了碰撞概率。

交换机通过维护一个转发表来跟踪和学习网络连接情况。初始时，交换机处于转发学习模式，会记录每个进入端口的报文源地址及其对应的端口信息。当主机A首次向主机B发送报文时，如果它们都在交换机的同侧且已有记录，则交换机仅将报文转发给该侧的所有主机；若A和B位于交换机的不同侧或交换机的转发表中尚无相关记录，则交换机会采取正常转发流程，将报文发送到目标主机所在的网络段。这一过程实现了通信的高效与智能，大大优化了局域网中的数据传输。

### `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;

范围：MAC地址是局域网内的唯一标识符，而IP地址是全球唯一的。
作用：MAC地址用于局域网内的设备识别和数据帧传输，而IP地址用于全球范围内的设备通信和数据包路由。

认识 MTU

MTU 相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制.

• 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;
• 如果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,则需要对数据包进行分片(fragmentation);
• 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

让我们回顾一下 UDP 协议:

• 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 对于 TCP 协议的影响

让我们再回顾一下 TCP 协议:

• 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);

MSS 和 MTU 的关系

查看硬件地址和 MTU

使用 ifconfig 命令, 即可查看 ip 地址, mac 地址, 和 MTU

ARP 协议

ARP 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协议是链路层的一个关键协议，它位于MAC层之上但服务于网络层。当MAC层接收到一个报文时，它会首先检查帧类型字段。如果帧类型指示为IP协议（或其他网络层协议），则报文会被传递给网络层处理。然而，如果帧类型指明为ARP或RARP（逆地址解析协议），则报文会直接被交付给ARP/RARP处理模块，而不会进一步上传到网络层。ARP/RARP处理模块在内部处理这些报文，无需再向上层传递，处理完成后直接向请求方发送响应。

• ARP 协议作用：知道一个主机的IP地址，拿到该主机的Mac地址。
• RARP 协议作用：知道一个主机的Mac地址，拿到该主机的IP地址。（后面会介绍）

当路由器需要将报文交付给主机，而自身并不直接知道目的主机的MAC地址时，它会利用ARP（地址解析协议）来动态地查询并获取该地址，从而完成报文的重新封装和传输。这一过程确保了即使路由器没有直接存储所有主机的MAC地址，也能有效地将数据包送达目标。不仅仅是路由器与主机之间，路由器与路由器之间也会与。

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;
• 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协议的工作流程

• 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);
  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
  

想一想,为什么要有缓存表? 为什么表项要有过期时间而不是一直有效?

• ARP缓存表的作用

  • 减少网络通信量：
    当主机需要发送数据到另一个IP地址时，它会首先检查ARP缓存表中是否已经存在该IP地址对应的MAC地址。如果存在，则直接使用该MAC地址发送数据，无需发送ARP请求进行广播查询，从而减少了网络通信量，提高了通信效率。
  • 加快网络通信速度：
    缓存表减少了查找MAC地址所需的时间，因为查询缓存通常比广播ARP请求并等待响应要快得多。这有助于加快数据包在网络中的传输速度。

• 表项设置过期时间的原因

  • 确保数据的有效性：
    网络设备的MAC地址可能会因为多种原因发生变化，如设备重启、故障恢复或更换网络接口卡等。如果ARP缓存表中的表项一直有效，那么即使MAC地址已经发生变化，发送方仍然可能使用旧的MAC地址发送数据，导致数据无法正确到达目的地。设置过期时间可以确保缓存中的MAC地址保持最新。

• 防止缓存污染和攻击：

  • 在某些情况下，恶意用户可能会尝试通过发送伪造的ARP响应来污染其他主机的ARP缓存表，从而导致数据包被发送到错误的目的地。设置过期时间可以限制这种攻击的影响范围，因为即使缓存被污染，表项也会在一段时间后失效。

  • 节省系统资源：
    随着时间的推移，ARP缓存表中可能会积累大量的表项。如果表项一直有效，那么这些表项将占用大量的系统资源（如内存）。设置过期时间可以允许系统定期清理不再需要的表项，从而释放系统资源供其他应用使用。

ARP 数据报的格式

• 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,但如果链路层是其它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;
• 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 的具体过程 和 ARP欺骗

ARP 结合协议的具体过程

对于arp，任何主机收到一个arp，都是先看op字段，判断是请求还是应答。

一、ARP请求发起

检查ARP缓存：

• 当主机A需要向主机B发送数据时，首先会检查自己的ARP缓存表中是否已经存在主机B的IP地址到MAC地址的映射。
• 如果存在，则直接使用该MAC地址封装数据帧进行发送，跳过后续的ARP请求过程。

发送ARP请求：

• 如果ARP缓存表中不存在主机B的IP地址到MAC地址的映射，主机A会构造一个ARP请求报文。
• ARP请求报文中包含源主机的IP地址和MAC地址，以及目标主机的IP地址（此时目标MAC地址通常为全0，表示未知）。
• 主机A将ARP请求报文以广播的形式发送到局域网内，局域网内的所有主机都会接收到这个ARP请求。

二、ARP响应处理

接收ARP请求：

• 局域网内的所有主机都会接收到ARP请求报文，并检查报文中的目标IP地址是否与自己的IP地址相匹配。
  如果不匹配，则忽略该ARP请求；如果匹配，则表明自己是目标主机（如主机B）。
  发送ARP响应：
• 目标主机（如主机B）会构造一个ARP响应报文，其中包含自己的IP地址和MAC地址。
  ARP响应报文以单播的形式发送给源主机（如主机A），而不是广播。

三、ARP缓存更新

接收ARP响应：

• 源主机（如主机A）接收到ARP响应报文后，会从中提取出目标主机的MAC地址。

• 主机A将目标主机的IP地址和MAC地址的映射关系添加到自己的ARP缓存表中，以便后续通信使用。
  缓存有效期：

• ARP缓存表中的映射关系会保留一段时间（缓存有效期），以减少后续通信中ARP请求的次数。

• 当缓存有效期过期后，如果再次需要与目标主机通信，则可能需要重新发起ARP请求。

四、数据传输

• 在获取到目标主机的MAC地址后，源主机（如主机A）就可以使用该MAC地址封装数据帧，并通过物理网络发 送给目标主机（如主机B）。
• 目标主机接收到数据帧后，会进行解封装处理，并根据IP地址判断该数据帧是否属于自己，如果是则进行进一步处理。

ARP 欺骗原理

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