【计网】从零开始认识arp协议

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--- 海子 《面朝大海，春暖花开》---

从零开始认识数据链路层

• 1 基础知识
• 2 为什么需要arp协议
• 3 arp协议工作流程
• 4 arp协议结构

1 基础知识

传输层协议提供一种策略保证通信的稳定性；网络层协议提供一种能力保证可以进行通信。数据链路层是用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

网络通信中，主机A向主机B发送数据时，并不是直接将报文发送到目标主机，而是会经过很多台路由器的转发！要在一台一台路由器之间不断的跳转。跨网络转发的本质是进行多次的子网转发！所以路由器就要先保证在同一个网段中相互之间可以进行转发。

局域网中以太网是常用技术。“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。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。

在以太网中发送数据是以以太网帧的格式进行发送的：

• 6字节目标地址：MAC地址是6字节，所以目标地址是6字节。
• 6字节源地址：MAC地址是6字节，所以源地址是6字节。
• 2字节帧协议类型：有三种值,分别对应 IP、 ARP、 RARP;
• 4字节CRC 校验码

对于这个以太网协议我们依然需要解决两个问题：

1. 如何解包？ 以太网帧采用的是定长报头，进行解包就直接去除定长的报头与报尾结构即可
2. 如何分用？

这里我们模拟一下局域网通信的过程： 在局域网中有若干主机ABCD...，主机A此时向G发送信息。主机A就先把MAC帧先填好目的地址与源地址：

主机A将这个MAC帧放到网络中，其他主机的的数据链路层会先获取到MAC帧，因为报头是定长，可以快速取到报头，判断是否是发送给自己的报文。许多的MAC帧之间会发生碰撞，越长的数据越容易产生碰撞，所以数据链路层才有MTU限制一次发送的大小！ 同样的也有最小数据帧限制MSS，对于不够的数据，会填充垃圾数据，那么会影响报文长度，这也就是为什么IP协议要带总长度字段！

随着主机数的增加，每台主机处理的MAC帧就会越来越多，出现大面积的碰撞。通信成功的概率就越来越小（这也是人数密集的地方网络差的原因）。这里会涉及到交换机：交换机会把不同的主机划分成不同的区域！交换机对于所有主机的数据都可以收到，其转发的数据对象就是数据帧，所以也是工作在数据链路层！

交换机会对数据帧进行分析，将数据帧发放到对应的区域，这样可以很好的优化碰撞发生的概率！有效管理数据帧的扩散范围。

这里通过MTU和MSS联系一下TCP建立连接

• 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)。

2 为什么需要arp协议

讲解arp协议之前，我们先来看看目前的通信过程中是否完善？ 目前为止我们讲解了传输层，网络层，数据链路层。为了保证通信可靠性传输层TCP协议的超时重传机制，快重传机制，滑动窗口机制…，提供跨网络通信能力的IP协议，用于局域网两个设备之间进行通信的数据链路层协议。看似已经十分完备，实际上有一个严重问题！

• 路由器中都有一个路由表，储存目的IP 与对应的子网掩码。可以找到对应的路由器！
• 但通信时要找到下一跳的节点，必须知道吓一跳节点的MAC地址！因为要封装MAC帧
• 那么要如何知道MAC地址呢？？？

IP地址和MAC地址在网络通信中有各自的重要作用。

• IP地址用于逻辑寻址和路由选择，使数据包能够跨越多个网络到达目标设备。
• MAC地址用于物理寻址，确保数据帧能够在同一局域网内正确传输。

通过ARP协议，路由器可以在目标网络中找到目标设备的MAC地址，确保数据包能够顺利传输到最终目的地。 这种机制使得IP地址和MAC地址相互配合，共同完成数据的传输和通信。

目前，在只知道目的IP的情况下，报头中带有源IP和目的IP。路由器的每一次路由转发都会改变源IP，最终到达路由器中，但是不知道目的主机的MAC地址，就不知道是子网中的哪一台主机！

• 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！

所以，为了可以在局域网中进行通信，我们需要可以通过目的IP转换成MAC地址的能力。这里就需要ARP协议！ arp协议是在数据链路层的，结构如下：

arp协议工作数据链路层，对于IP地址与MAC帧的转换时是在这里进行的！

3 arp协议工作流程

新生入学第一天，每名同学都有一个学号。老师手里只有学号表，并不知道谁是谁，于是就会问：“谁是10号同学呀？”。这时张三回答是他，那么老师在心中就会记住学号与名字的映射关系，下一次就会直接叫张三而不是10号同学！

这个例子就类似arp协议工作过程：

1. 当数据包到达目标网络的路由器时，路由器知道目标设备的IP地址，但不知道其MAC地址。路由器在目标网络中广播一个ARP请求： “谁是IP地址为172.20.1.2的设备？请告诉我你的MAC地址。”
2. 网络中的所有设备接收到ARP请求后，只有目标设备（即IP地址为172.20.1.2的计算机B）会响应。计算机B会发送一个ARP响应包，包含其MAC地址：“我是IP地址为172.20.1.2的设备，我的MAC地址是08:00:20:74：CE:EC。”

arp协议工作流程可以总结为：先广播，再正常通信！ 具体来看，主机A在发送一条广播后，可能会接收到一条arp应答。那么每一台主机都有可能收到arp应答与arp请求！所以就要求arp协议要区分自己是请求还应答！

网络层收到了一个报文 ，但是此时主机并不知道这个IP对应哪一台主机，所以就要进行广播。进行广播前，在arp协议层需要构建一份arp请求：源IP与源MAC，目的IP与未知目的MAC。然后回将报文构建mac帧。注意：arp层与mac帧层是上下层协议的关系！

所以就会对还会对arp请求进行封装，帧类型设置为0806说明是发送给arp层。目的mac地址设置为fff...表示广播

封装好就将mac帧发到局域网中，当其他主机获得到时，会分析目的mac，发现是fff...，知道是广播。然后分析到帧类型是发送给arp协议的，就将这个报文解析后发送给arp协议。然后就可以判断IP地址是否是自身，那么就丢弃（当前理解下是丢弃）。

当目标IP主机收到arp请求后，根据oper发现arp请求，那么就会生成一份arp应答！

其他主机收到这个mac帧，通过目的MAC判断进丢弃。路由器A最终就会收到这个应答！路由器A发现这个是arp应答，这时就会保留源IP与源MAC，建立了IP与MAC的映射！下一次向主机E发送报文，就可以建立mac帧进行发送了！

注意: 虽然mac帧报头中有源mac地址，但是这是mac协议层获取的信息，arp层获取不到这个信息，所以要在报文中记录源IP与源Mac!

这个IP与MAC的映射会暂时缓存起来，我们可以看看我们机器里缓存的mac地址：

arp只在局域网中有效，每个网络都是一个子网，每个网络都维护arp，不会出现横跨网络的情况！

4 arp协议结构

• 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。

其中关键的五元组是：oper ， 源IP ，源mac，目的IP，目的MAC。arp协议层中可以对数据进行处理，建立映射…

至此，网络协议栈通信过程完成了！arp协议补全了路由过程中在不知道目的主机MAC地址应该如何处理的方法！ 保证数据链路层可以生成MAC帧完成通信！