局域网通信

通过之前的学习，我们了解了应用层，传输层，网络层的协议和作用，这里先做个总结

• 应用层——http，https协议，也可以自己定义一套，作用是进行数据的处理
• 传输层——tcp，udp协议。保证数据传输的可靠性，提供了一个可靠的能力
• 网络层——ip协议。解决了a主机如何在错综复杂的网络世界中找到b主机，发送的报文可能丢失，但是上层tcp提供可靠性，所以tcp/ip协议可以实现a，b主机之间可靠地互发信息

a主机到b主机之间，必然是经过多次的一层一层的局域网转发的，局域网内是如何转发的，这就是数据链路层要解决的事情

局域网通信就如石头丢进湖里激起的波纹，一个主机要向另一台主机发送消息，就要向局域网里所有的主机都发送信息，主机收到后解析ip是否是自己的，是的话就继续向上解析，不是则丢弃

这里就要用到mac协议了，mac地址是48位的，14亿x2^16，足够大，可以实现全球唯一，不像ip地址一样不够使用

ip协议+路由器+nat只解决了确定目标主机的问题，具体一个局域网里是怎么传送的呢？

a主机要在一个局域网里发送给b主机，此时a拿着自己的ip报文，里面有目标主机的ip，但是不知道b的mac地址，只有知道了才能在mac协议中填写b的mac地址，然后向一个局域网内所有主机发送，b收到后解析发现是传给自己的，就继续解包分用了

mac

mac协议=目的mac（6字节）+源mac（6字节）+帧类型（2字节）+有效载荷+CRC（碰撞检测）

mac的有效载荷可以分为三种：ip报文，arp请求/arp应答，rarp请求/rarp应答，通过帧类型判断

• 0800为ip报文
• 0806位arp请求/应答
• 8035位rarp请求/应答

如何将报头和有效载荷进行分离？固定长度

有效载荷如何向上交付？两字节帧类型，判断是交给数据链路层上层的arp还是网络层ip

上面场景中，我们说了a要在局域网中要和b通信，必须要先知道b的mac地址，此时需要arp

arp是处于数据链路层上层一点的，mac是数据链路层下层一点的，所以arp是夹在ip和mac之间的

假设我们通过arp获得了b的mac地址（发起arp请求的时候目的mac填为全f，表示广播）

此时a，b进行通信的时候，就会将帧类型填位0800，表示有效载荷为ip报文，向局域网里每个主机发送，b收到后先取出报头，发现目的ip是macb，且有效载荷为ip报文，此时就会向上交付给ip层处理，不会交给arp了。

这大概就是mac的传输流程，下面我们再来了解一下arp协议

arp

arp夹在网络层和数据链路层之间

下面借用了一下龙哥的文章，自己写出来总感觉不通顺

原文链接：https://blog.csdn.net/chenlong_cxy/article/details/124788397

arp请求，广播报文

arp应答

arp发送请求 

arp报文的请求字段 

• 硬件类型指链路层的网络类型，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，因为MAC地址是48位的。
• 协议地址长度对于IP地址为4字节，因为IP地址是32位的。
• op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

前四个请求和应答填的都是一样的，根据第五个来区分是arp请求还是arp应答

arp的完整流程（路由器D向B主机发送信息）

根据ip与子网掩码确认和B的网络号一致，在同一局域网中，准备获得B的mac地址，进行通信

路由器D构建arp请求，向同一局域网里的所有主机发送

首先，因为路由器a构建的是ARP请求，因此ARP请求当中的op字段设置为1。

• ARP请求当中的硬件类型字段设置为1，因为当前使用的是以太网通信。
• ARP请求当中的协议类型设置为0800，因为路由器是要根据主机B的IP地址来获取主机B的MAC地址。
• ARP请求当中的硬件地址长度和协议地址长度分别设置为6和4，因为MAC地址的长度是48位，IP地址的长度是32位。
• ARP请求当中的发送端以太网地址和发送端IP地址，对应就是路由器D的MAC地址和IP地址。
• ARP请求当中的目的以太网地址和目的IP地址，对应就是主机B的MAC地址和IP地址，但由于路由器D不知道主机B的MAC地址，因此将目的以太网地址的二进制序列设置为全1，表示在局域网中进行广播

ARP请求构建完成后，为了能将ARP请求发送到以太网当中，还需要将ARP数据包向下交付给MAC帧协议，封装成MAC帧

• 封装MAC帧报头时，以太网目的地址和以太网源地址，对应分别是主机B和路由器D的MAC地址，但由于路由器D不知道主机B的MAC地址，因此MAC帧报头当中的以太网目的地址的二进制序列也只能设置为全1，表示在局域网中进行广播。
• 因为这里封装的是一个ARP请求数据包，因此MAC帧当中的帧类型字段设置为0806。
• 由于ARP请求数据包的长度只有28字节，不足46字节，因此还需要在MAC帧的有效载荷当中补上18字节的填充字段，最后再对MAC帧进行CRC校验即可。

• 此时该局域网中的所有主机都收到该mac帧，发现目的ip为全f，且帧类型为0806，为arp请求或应答，则交给arp
• 当ARP层收到这个数据包后，发现ARP数据包当中的op字段为1，于是判定这是一个ARP请求，然后再提取出ARP数据包当中的目的IP地址字段，虽然局域网当中的所有主机都会将该数据包交给自己的ARP层，但最终只有主机B发现ARP数据包当中的目的IP地址与自己相同，因此只有主机B会对该ARP请求进行应答，而局域网当中的其他主机在识别到ARP数据包当中的目的IP地址与自己不匹配后，就会直接将这个ARP请求报文丢弃。

需要注意的是，局域网当中其他不相干的主机在收到这个ARP请求报文后，不是在MAC帧层丢弃的，而是在ARP层发现该ARP数据包的目的IP与自己的IP不匹配后丢弃的。

总结：

发起方构建ARP请求，以广播的方式发送给每一个主机。
每台主机都能识别接收，然后根据MAC帧的帧类型字段将有效载荷交付给每个主机的ARP层。
其他不相关主机立马根据目的IP，在自己的ARP协议内部丢弃ARP请求，只有目标主机会处理请求

arp发送应答

主机B在应答时首先需要构建ARP应答。

• 首先，因为主机B构建的是ARP应答，因此ARP协议当中的op字段设置为2。
• ARP应答当中的硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度的值与ARP请求当中设置的值相同。
• ARP应答当中的发送端以太网地址和发送端IP地址，对应就是主机B的MAC地址和IP地址。
• ARP应答当中的目的以太网地址和目的IP地址，对应就是路由器D的MAC地址和IP地址，因为路由

此时ARP请求就被封装成MAC帧了，如下：

• 此时局域网当中的每台主机在底层都能收到这个MAC帧，但局域网当中的不相干的主机，在发现该MAC帧对应的以太网目的地址与自己不同后，就会将该MAC帧丢弃，而不会交付给上层ARP层，最终只有路由器D会将解包后MAC帧的有效载荷向上交付给自己的ARP层。
• 当路由器D的ARP层收到这个数据包后，发现ARP数据包当中的op字段为2，于是判定这是一个ARP应答，然后就会提取出ARP数据包当中的发送端以太网的地址和发送端IP地址，此时路由器D就拿到了主机B的MAC地址。

至此，路由器D知道了B的mac地址，就可以进行局域网通信了

arp缓存表

如果每次通信前都要进行arp请求应答那也太麻烦，所以在第一次arp请求的时候，会将对应的信息进行保存一段时间，第二次发送信息就可以直接发送了

结论：

• 主机得到arp应答，会将arp应答缓存起来（有时间限制），如果收到许多同类型的，会将最新的缓存起来
• 任何一台主机，都可能即会收到arp应答，又会收到arp请求

碰撞问题

因为局域网中任何一个主机要发消息，所有主机都要收到，如果这个时候又有另一台一起发，就会产生碰撞

所以局域网中，任何时候只允许一台主机发送数据，如果同时发送会产生数据碰撞的问题

mac帧最后的crc用来检测是否发生碰撞，如果发生则执行碰撞避免算法，简单理解就是发生碰撞的主机等待一段时间后再发

数据分片

tcp中我们讲到将缓冲区理解成一个一个的环形字节数组，是因为数据链路层的原因

受限于物理底层各种因素，如果要传送的数据太大，是会分片的，也就是将一个大的数据分成几个小的数据来发送

ip协议第二行字段就是用来分片用的

上面根据mac帧报文我们知道，MAC帧携带的有效载荷的最大长度是有限制的，也就是说IP交给MAC帧的报文不能超过某个值，这个值就叫做最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU），这个值的大小一般是1500字节。

由于MAC帧无法发送大于1500字节的数据，因此IP层向下交付的数据的长度不能超过1500字节，这里所说的数据包括IP的报头和IP的有效载荷

如果IP层要传送的数据超过了1500字节，那么就需要先在IP层对该数据进行分片，然后再将分片后的数据交给下层MAC帧进行发送

如果发送数据时在IP层进行了分片，那么当这些分片数据到达对端主机的IP层后就需要先进行组装，然后再将组装好的数据交付给上层传输层。

 

 分片一定是不好的，提高了数据的发送个数，增加了丢包概率

如何做到不分片呢？将每次发送的数据限制在规定大小内，这也是之前为什么tcp发送缓冲区画成一小格一小格的原因

分片和组装都是在ip层完成的，传输层和数据链路层不需要关心

• 传输层只负责为数据传送提供可靠性保证，比如当数据传送失败后，传输层的TCP协议可以组织进行数据重传。
• 当TCP将待发送的数据交给IP后，TCP并不关心该数据是否会在IP层进行分片，即TCP并不关心数据具体的发送过程。
• 当TCP从IP获取到数据后，TCP也不关心该数据是否在IP层经过了组装。

而链路层的MAC帧只负责，将数据从一个节点传送到和自己相连的下一个节点。

• 当IP将待发送的数据交给MAC帧后，MAC帧并不知道该数据是IP经过分片后的某个分片数据，还是一个没有经过分片的数据，MAC帧只知道它一次最多只能发送MTU大小的数据，如果IP交给MAC帧大于MTU字节的数据，那MAC帧就无法进行发送。
• 当MAC帧从网络中获取到数据后，MAC帧也不关心这个数据是否需要进行组装，MAC帧只需要将该数据的MAC帧报头去掉后直接上交给上层IP就行了，而至于该数据的组装问题则是IP需要解决的。

因此，数据的分片和组装完全是由IP协议自己完成的，传输层和链路层不必关心也不需要关心。

分片的过程

ip的第二行字段

• 16位标识：唯一标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片报文的16位标识是相同的。
• 3位标志：第一位保留，表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。第三位表示“更多分片”，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，则除了最后一个分片报文设置为0以外，其余分片报文均设置为1。
• 13位片偏移：分片相对于原始数据开始处的偏移，表示当前分片在原数据中的偏移位置，实际偏移的字节数是这个值× 8 \times 8×8得到的。因此除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍，否则报文就不连续了

假设IP层要发送4500字节的数据，由于超过MTU，IP需要先将该数据进行分片，然后再将一个个的分片交给MAC帧进行发送

分片报文	总字节数	IP报头字节数	数据字节数	16位标识	“更多分片”	13位片偏移
1	1500	20	1480	123	1	0
2	1500	20	1480	123	1	185
3	1500	20	1480	123	1	370
4	80	20	60	123	0	555

 

分片的组装

MAC帧交给iP层的数据可能来自世界各地，这些数据可能是经过分片后发送的，也可能是没有经过分片直接发送的，因此IP必须要通过某种方式来区分收到的各个数据。

• IP报头当中有32位源IP地址，源IP地址记录了发送端所对应的IP地址，因此通过IP报头当中的32位源IP地址就可以区分来自不同主机的数据。
• IP报头当中有16位标识，未分片的数据各自的16位标识都是不同的，而由同一个数据分片得到的各个分片报文所对应的16位标识都是相同的，因此通过IP报头当中16位标识就可以判断哪些报文是没有经过分片的独立报文，哪些报文是经过分片后的分片报文。
• 因此IP可以通过IP报头当中的32位源IP地址和16位标识，将经过分片的数据各自聚合在一起，聚合在一起后就可以开始进行组装了。

对于各个分片报文来说：

• 第一个分片报文中的13位片偏移的值一定为0。
• 最后一个分片报文中的“更多分片”标志位一定为0。
• 对于每一个分片报文来说，当前报文的13位片偏移加上当前报文的数据字节数 ÷ \div÷ 8所得到的值，就是下一个分片报文的所对应的13位片偏移。
• 根据分片报文的这三个特点就能够将分片报文合理的组装起来。

先找到分片报文中13位片偏移为0的分片报文，然后提取出其IP报头当中的16位总长度字段，通过计算即可得出下一个分片报文所对应的13位片偏移，按照此方式依次将各个分片报文拼接起来。
直到拼接到一个“更多分片”标志位为0的分片报文，此时表明分片报文组装完毕。

分片报文丢包的问题

片后的报文在网络传输过程中也可能会出现丢包问题，但接收端有能力判断是否收到了全部分片报文，比如假设某组分片报文对应的16位标识值为x：

• 如果分片报文中的第一个分片报文丢包了，那么接收端收到的分片报文中就找不到对应16位标识为x，并且13位片偏移为0的分片报文。
• 如果分片报文中的最后一个分片报文丢包了，那么接收端收到的分片报文中就找不到对应16为标识为x，并且“更多分片”标志位为0的分片报文。
• 如果分片报文中的其它分片报文丢包了，那么接收端在进行分片报文的组装时就会找不到对应13位片偏移为特定值的分片报文。
• 需要注意的是，未分片报文的“更多分片”标志位为0，最后一个分片报文的“更多分片”标志位也为0，但当接收端只收到分片报文中的最后一个分片报文时，接收端不会将其识别成一个未分片的报文，因为未分片的报文所对应的13位片偏移的值也应该是0，而最后一个分片报文所对应的13位片偏移的值不为0。

因此只有当一个报文的13位片偏移为0，并且该报文的“更多分片”标志位也为0时，该报文才会被识别成一个没有被分片的独立报文，否则该报文就会被识别成一个分片报文。