Linux：数据链路层

路由表

当主机a想要发送消息到主机b，这一整个过程中，数据报文在进行传输的过程实际上是一跳一跳的过去的，而报文可能会经过公网进行传递，本质上这些网络都是靠对应的路由器来进行链接的

当在之前的实验中，向某个地方进行请求的时候，请求的ip都是公网ip，而在平时的云服务器中是使用的是公网ip的，并且在ip协议的报头中，也有对应的ip字段，表示的是源ip地址和目标ip地址，这些都是来保证网络数据包可以传递过去的保障，那这和这里的路由有什么关系呢？

路由的工作之一是有路由转发的工作，每一个主机都有一个叫做路由表的东西，那这个路由表有什么用呢？在Linux的操作系统中可以查到这个内容：

那我上述所示的这个机器，通过这样的指令就查询到了路由表的存在，那当现在要有一个目标主机，现在要进行报文的发送了，就会拿着这个目标主机的ip，和子网掩码进行按位与，得到的就是Destination，然后再和每一行的Destination进行比对，如果匹配成功就发送，没有成功就继续进行匹配

那匹配路由表会有下面的几种可能性，我们分别进行讨论

**1. 不知道？**这种情况通常来说是路由的算法做的不佳的原因，这里我们不考虑这种情况
**2. 给主机具体的下一跳：**通过查询路由表，找到了想要传递的下一跳的目的地，所以直接就通过下一跳跳过去了
**3. 路由器也不清楚：**比对路由表，发现没匹配成功，这个时候就会把报文传递给默认路由，所谓的默认路由，就是网段内的另外一个路由器，然后在这个路由器中进行查询，继续传递
**4. 到达入口路由器：**这个就是比较理想的状态了，此时已经找到目标服务器了，那么就可以直接传递进去了

数据链路层

在实际的使用当中，报文其实并没有直接通过网络发出去，而是会交给下一层协议，那这层协议就是我们要谈论的最后一层协议了：数据链路层

对于数据链路层来说，实际上已经算是一个网卡硬件驱动层了，数据链路层不能发送过大的报文，这也是和硬件相关的，被硬件所控制的，那这就必然要求，上层不能交付过大的报文，这也就解释了对应的在TCP中，进行流量控制的章节中我们讲到，流量控制说的是对方的接收能力，比如现在对方接收能力是64kb，那为什么不直接把这64kb直接发过去，而是要一点一点发？原因就在于此，因为底层的发送是有限制的，这个限制就来源于网卡硬件

分片

那假设，现在就是运气不好，上层传递过来的报文就是太大了，那这该怎么办呢？作为网络层的ip协议，自然也有自己的方案，其中一种概念叫做分片，分片工作是由ip协议完成，然后传递到目标主机再由对方的ip协议进行组装，这个分片简单来说就是把ip在底层划分为若干个小的ip，然后这些小的ip再进行分次传送，送过去以后再组装成一个大的ip，再向上交付，那现在要考虑的几个问题就是，如何进行分片？又如何进行组装？

分片

对于分片来说，概念也相对比较简单，首先要知道的一点是进行分片也是要组装报头的，回顾ip协议，它的报头中是存在一个16位的标识的：

那这个标识是ip协议的标号，不同的ip协议标识肯定是不同的，对于相同的ip协议分片之后的标号也是相同的，这些都算比较好理解

再看下一个字段，说的是3位标志，那这个标志是干什么的呢？在这3位标志当中，其中第二位表示的是是否允许进行分片，如果显示的结果是0，那么就是表示允许分片，如果是1那就是表示的是不允许分片，第三位表示的是是否为结束标记，如果是1表示当前还没有结束，如果是0表示的是当前已经结束了，代表这个分片结束了

再看下一个字段是片偏移，这个就更简单了，就是一个偏移量

下面我用一个例子来进行解释上面的这一套理论：假设现在有一个报文是3000字节，而数据链路层最多发1500字节的报文，那它该如何进行划分呢？

那现在划分的问题结束了，它是如何进行组装的呢？正是由于有标记位的存在，才能保证不会丢失，偏移量和标记位加起来就能确定这个报文是不是最后一个，是不是开头，是不是中间

需要注意的是，正常来说是不建议进行分片的，因为如果有一个报文丢失了，那么整个报文都要进行重传，ip协议是没有TCP协议的保存机制的

mac帧报头

在计算机当中，每台主机除了对应的ip之外，还应该拥有一个mac地址，这个mac地址指的是网卡，对于每一个网卡来说，它都有一个单独的mac地址与之对应，它的作用主要就是用来在同一个局域网中进行区分特定的主机

那下图所示的是mac帧的报头信息

首先是数据部分，这个数据部分指的是ip报文，那随之而来的就是每一个协议都要思考的问题，它是如何做到报头和有效载荷进行分离，以及它是如何进行交付的？

报头和有效载荷分离

结论是，它是采用的定长报头的方式，当收到报文的时候就可以根据定长的报头实现和有效载荷的分离，其中有源地址和目的地址还有类型

如何进行分用？

如何进行识别这个报文是用以做什么的呢？答案是在报头的类型中会有记录，如果当前使用的是0800类型，那么表示的就是一个ip的数据包，这个使用的是0806类型，那么表示就是一个ARP请求，如果使用的是8035，那么表示的是RARP请求报文

ARP协议

这里我假设一个场景，有一个数据包要从A主机传递到B主机，经过一系列传输后，传递到了入口路由器，假设这个入口路由器叫做路由器d，那在它接受到这个数据包之后，根据子网掩码的运算，发现此时这个路由器d直接相连的网络就是这个数据包的目的地，那么这就意味着这个路由器d要经过内网转发，把数据交给主机b，那这就意味着一件事，对于数据包来说，它必须要知道主机b的mac帧地址，这样才能把数据送到主机b，那现在的问题是，路由器d接受到了这个报文，只知道目标主机b的ip地址，但是不知道主机b的mac地址，所以在内网交付的过程中，路由器d是无法把数据交给主机b的

所以现在对于路由器d来说，它必须要有一种方法，能根据ip地址转换成目标主机的mac地址，只有得到了对方的mac地址，才能把信息数据交给主机b，所以在一个局域网中，这种把ip地址和mac地址相关联的方法，就叫做是ARP协议

如上图所示，展示的就是ARP协议的一个基本的过程，主机a通常就是入口路由器，它和所在局域网当中的所有主机进行相连，当它要进行内网传递的时候，就要发送一个ARP请求包，然后去获取这个主机的mac地址，如果获取成功了，就把这个数据包发送出去，如果没成功这个数据包就发送失败了

ARP协议报头

既然是协议，那么就意味着ARP协议也是有报头的，那么这里对于ARP协议的报头进行理解：

如上图所示，展示的是ARP协议的报文信息，而前面的字节表示的是报头，后面的28字节ARP请求和应答表示的是有效载荷，那我们先说这个报头的信息

对于报头来说，头部有这个以太网的目的地址和源地址，ARP协议是属于mac帧的上层的，但是它又是属于数据链路层的

对于有效载荷来说，第一个参数是硬件类型，一般来说说的是网络类型，这里一般填写的也是以太网，一般写1就行，不过有时候也可能会有无线网的信息，第二个参数是协议类型，协议类型的意思就是要转化的地址，比如说这个ARP协议是要转换成mac地址，那么这里一般的固定写法就是写成0800，代表的是要把ip地址转换成mac地址，再说后面的类型，硬件地址长度和协议地址长度，硬件地址长度对于以太网来说是6字节，对于ip地址来说是4字节，这些字段的内容一般都是固定的，直接填写就好

重点是后面的这个op字段，这个op字段如果写的是1，表示的这是一个ARP请求，如果写的是2，表示的这是一个ARP应答，比如作为入口路由器来说，它作为发起者，它本身填写的就是1，而如果作为接收端要返回，那么写的就是2，后面是发送端的ip地址和以太网地址，还有目的端的以太网地址和ip地址

在首次发起请求的时候，是并不知道这个信息的，所以对于目标的这些不清楚的字段，一般用全f来进行表示

所以我们可以看到对于整个网络协议栈来说，是分为四层的，其中在最底层的叫做mac帧，mac帧的上层是ARP协议，这个ARP协议也是属于数据链路层，这俩是在一层的，所以在网络中进行路由的时候，路由表当中是会包含有主机相连的信息

ARP的周边话题

下面对于ARP的周边问题进行解释

ARP的触发机制？

数据包从a主机到b主机的这个过程，是需要到入口路由器的，然后入口路由器再传递到主机b，而这个ARP机制并不会重复去做，只有在ARP缓存失效的时候才会触发这个ARP机制

ping问题

实际上，对于每一个子网来说，都有自己的内网ip和内网对应的子网掩码，而在网络中是存在一条叫做ping的命令的，这个命令就是给目标主机发送一个报文，而主要目的是要收到目标主机的应答，它的作用主要是用来检测网络的连通性的报文，所以依据这个ping命令，是可以做到获取同一个网段的所有人的ip地址和mac地址的，换句话说，通过我的ip和子网掩码，可以得到我的网络号，根据我的网络号再拼接ip地址，就能ping所有的主机，得到所有主机的ip地址和mac地址

ARP应答的问题？

当ARP应答获取成功了之后，那么就会把mac地址和ip地址缓存起来，形成一个对应关系，而这个缓存是有时间限制的，太长的缓存信息就被丢弃了，那假设现在有一个主机的网卡被更换了呢？这就意味着mac地址也会被更换，所以ARP协议对于收到了新的ARP信息之后，会自动更新为最新的信息，这都没问题，但是会出现一个问题

假设现在有另外一个主机m，它接入到了这个网段当中，它有ipm和macm，那么假设未来它构建一个报文，经过内网转发，直接一直向主机a发送ARP的应答，那么对于路由器来说，就会构建出一个主机b和macm的映射关系，那这其实是一个比较恐怖的事，因为未来这个路由器向主机b发送的消息，都会推送到主机m上，而转到主机b上的信息因为mac地址不匹配，反而会被丢弃，那这个主机m就被叫做是一个中间人机器