Linux网络--数据链路层-平芜编程栈

大家好，上次我们学习了网络层IP协议，今天我们来继续学习Linux网络的数据链路层，那么话不多说我们开始今天的学习：

数据链路层

1. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"

2. 认识以太网

2.1 以太网帧格式

2.2 认识 MAC 地址

2.3 对比理解 MAC 地址和 IP 地址

2.4 认识 MTU

2.5 MTU 对 IP 协议的影响

2.6 MTU 对 UDP 协议的影响

2.7 MTU 对于 TCP 协议的影响

MSS 和 MTU 的关系

2.8 查看硬件地址和 MTU

ARP 协议

1. ARP 协议的作用

2. ARP 协议的工作流程

3. ARP 数据报的格式

4. ARP 欺骗原理

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.

1. 对比理解"数据链路层"和"网络层"

数据链路层（Data Link Layer）和网络层（Network Layer）是 TCP/IP 模型中相邻的底层核心层，共同支撑数据的 “跨节点传输”，但职责边界、作用范围、核心目标完全不同：
数据链路层：负责同一物理链路（相邻节点）的 “点对点” 传输，解决 “相邻设备怎么传” 的问题；
网络层：负责跨多个物理链路（跨网络）的 “端到端” 传输，解决 “从源主机到目标主机怎么找路” 的问题。
两者的关系可类比为：数据链路层是 “城市内的道路 + 路口管理”，网络层是 “跨城市的高速公路规划 + 导航”—— 没有道路（数据链路层），导航（网络层）无法落地；没有导航（网络层），无法跨城市到达目的地。

2. 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;

2.1 以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示：

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。

2.2 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

2.3 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;
IP 地址 = 「收件人完整地址」（邮政编码 + 省市区街道门牌号）负责「全局定位」，告诉 “快递系统” 最终要送到哪个城市、哪个小区；
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;
MAC 地址 = 「运输车辆的车牌号码」负责「本地路段识别」，告诉 “每一段道路的管理者”（如路口、收费站）当前车辆要交给哪辆车 / 哪个站点。

2.4 认识MTU

大家看到MTU是不是感觉有点熟悉，这不就是上次学习IP分片组装那里的内容吗？

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;

2.5 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;

2.6 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.

2.7 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

2.8 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

虽然我们在这里介绍ARP协议,但是需要强调, 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

还记得我们学习IP协议的时候传输数据，当时我们没说怎么向子网IP传输数据，今天学习了ARP就知道了：

1. 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

如果我们只知道目标主机的 IP 地址，不知道对方的 MAC 地址，就无法给对方发送数据帧？

所以需要一种局域网协议，把 IP 转换成对应的 mac 地址 --- 这就是ARP 协议！(地址解析协议)

2. 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);
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?

因为我们使用的子网IP和机器的网卡都是可以进行替换的，如果缓存表没有过期时间那么一旦我们更换了IP或是网卡那么就无法更新缓存表也就无法再继续通信了。

再想一想,结合我们刚才讲的工作流程, ARP的数据报应该是一个什么样的格式？

3. 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。

下面我们来讲解一下ARP的使用方法：

当前在外网上传来一份数据要给主机E，可是当前路由器并不知道主机E的 MAC 地址，那么此时就要发送 ARP 请求，由路由器发出。
由于现在并不知道目的主机MAC地址，所以以太网目的地址这一部分要写全F 意为广播，也就是发送给该子网内的所有主机。
以太网源地址就是路由器的MAC地址，帧类型是0806表示ARP请求/应答，硬件地址长度是1表示以太网，协议地址长度是0800表示要转换的是IP地址。OP为1表示ARP请求。
因为只有目的以太网地址不知道，所以除了目的以太网为全F 剩下都写好了。

现在数据链路层将这份数据发送给所有主机，所有主机收到数据后，先看OP位是请求还是应答，然后再看目的主机IP，如果是当前主机则进行处理，若不是当前主机那就把该数据丢掉不处理。

等主机E收到后，看清了是发送给自己的请求，那么主机E要进行处理，把自己的MAC地址写上去，OP为2表示ARP应答，此时源以太网地址是主机E的MAC地址，目的以太网地址是路由器的MAC地址，这样将ARP发回路由器，路由器就知道了主机E的MAC地址。

这样就能把数据发送给主机E了。

4. ARP欺骗原理

步骤一

步骤二

步骤三

ARP欺骗是利用ARP 协议无身份验证的漏洞，通过伪造 “IP与MAC 的对应关系”，篡改目标设备的 ARP 缓存表，从而劫持局域网内的流量。
攻击者利用这个漏洞，主动给目标设备发伪造的 ARP 响应，篡改对方的 ARP 缓存表，实现流量劫持。常见场景有几种：
场景 1：欺骗主机（让主机把流量发给攻击者）
攻击者（比如局域网内的主机 C）给主机 A 发伪造的 ARP 响应：“我是网关（192.168.1.1），我的 MAC 是 CC:CC:CC:CC:CC:CC（攻击者的 MAC）”。
主机 A 的 ARP 缓存表被篡改：“网关 IP→攻击者 MAC”。
后果：主机 A 发往网关的所有流量（比如访问网页、发消息），都会先发给攻击者（相当于你把快递都发给了冒充快递站的邻居）。
场景 2：欺骗网关（让网关把流量发给攻击者）
攻击者同时给网关发伪造的 ARP 响应：“我是主机 A（192.168.1.10），我的 MAC 是 CC:CC:CC:CC:CC:CC（攻击者的 MAC）”。
网关的 ARP 缓存表被篡改：“主机 A IP→攻击者 MAC”。
后果：网关发往主机 A 的流量，也会先发给攻击者。
场景 3：中间人攻击（截获 + 篡改所有流量）
当攻击者同时欺骗主机 A 和网关后：
主机 A 的流量先到攻击者；
攻击者可以偷看、篡改数据（比如把 “登录密码” 改成自己的）；
再把流量转发给网关（主机 A 和网关都察觉不到）。
欺骗的 “维持”：持续发伪造响应
ARP 缓存表有超时机制（通常 1-10 分钟），超时后会重新请求正确的 MAC。所以攻击者需要持续发送伪造的 ARP 响应（称为 “ARP 泛洪”），保持目标缓存中的错误记录（相当于每隔几分钟就给你发一次 “快递站新车牌” 的消息，让你一直信以为真）。