一、TCP/IP五層模型

1. 物理層（Physical Layer）：物理層是最底層，負責傳輸比特流（bitstream）以及物理介質(zhì)的傳輸方式。它定義了如何在物理媒介上傳輸原始的比特流，例如通過電纜、光纖或無線傳輸?shù)取?/p>

2. 數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）：數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層之上，負責在直接相連的節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)幀（Frame）。它將比特流組織成幀，并提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸、差錯檢測和糾正等功能。常見的協(xié)議包括以太網(wǎng)（Ethernet）和Wi-Fi。

3. 網(wǎng)絡層（Network Layer）：網(wǎng)絡層處理分組（Packet）的傳輸和路由，負責將數(shù)據(jù)從源主機傳輸?shù)侥繕酥鳈C。它定義了邏輯地址（如IP地址）和路由選擇算法，并通過Internet Protocol (IP) 進行數(shù)據(jù)的分組、定址和轉(zhuǎn)發(fā)。

4. 傳輸層（Transport Layer）：傳輸層提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務，負責將數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗降亩丝?。它通過傳輸協(xié)議（如TCP和UDP）提供了連接管理、流量控制、差錯檢測和糾正等功能。

5. 應用層（Application Layer）：應用層是最高層，負責處理特定應用程序之間的通信。它包括各種應用協(xié)議，如HTTP、FTP、SMTP和DNS等，用于實現(xiàn)不同應用程序之間的數(shù)據(jù)交換和通信。

OSI七層網(wǎng)絡模型

二、以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是應用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)技術(shù)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。

以太網(wǎng)在局域網(wǎng)各種技術(shù)中占統(tǒng)治地位的原因:

• 造價低廉(以太網(wǎng)網(wǎng)卡不到100塊);
• 是應用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù);
• 比令牌環(huán)網(wǎng)、ATM網(wǎng)便宜,簡單;
• 滿足網(wǎng)絡速率要求:10Mb/s~10Gb/s.

以太網(wǎng)的兩個標準：

• DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。
• IEEE 802.3 是第一個 IEEE（電氣電子工程師學會） 的以太網(wǎng)標準。
  DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。
  嚴格說來，“以太網(wǎng)”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網(wǎng) 。

為了通信的簡便，以太網(wǎng)提供無連接,不可靠的服務

• 無連接：發(fā)送和接收方之間無“握手過程”。
• 對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。差錯幀直接丟棄,差錯糾正由高層負責。
  這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率很小。

也就說：

• 以太網(wǎng)只實現(xiàn)無差錯接收,不實現(xiàn)可靠傳輸。
• 以太網(wǎng)提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
• 當目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。
• 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。

三、MAC地址

MAC地址（英語：Media Access Control Address），直譯為媒體存取控制位址，也稱為局域網(wǎng)地址（LAN Address），MAC位址，以太網(wǎng)地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一個用來確認網(wǎng)絡設備位置的位址。

MAC地址是網(wǎng)絡設備的唯一識別碼，用于在局域網(wǎng)中確定設備的身份，該地址全球范圍內(nèi)具有唯一性。
MAC地址的長度為48位，即6個字節(jié)。其中前3個字節(jié)是OUI（Organizationally Unique Identifier），由IEEE分配給不同的廠家，后3個字節(jié)由廠家自行分配。
MAC地址通常表示為12個16進制數(shù)，每2個數(shù)之間用冒號隔開，例如：09:2F:20:3A:5C:8D。

令牌環(huán)和以太網(wǎng)等 LAN 技術(shù)使用 MAC 地址作為其物理地址，但有些網(wǎng)絡 (AppleTalk) 不使用 MAC 地址。

已經(jīng)有了IP地址，為什么還要有MAC地址呢？

IP地址描述的是整個數(shù)據(jù)傳送過程中的起點和終點。
MAC地址描述的是數(shù)據(jù)傳送過程中，每一跳(一個區(qū)間)的起點和終點。
具體在網(wǎng)絡中，IP地址就是目標主機，MAC地址就是兩個相連路由器，只有一跳一跳經(jīng)過多個路由器，數(shù)據(jù)才能被送到目標主機。

單站地址，組地址，廣播地址

IEEE 規(guī)定地址字段的第一字節(jié)的最低位為 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。

• 當 I/G 位 = 0 時，地址字段表示一個單站地址。
• 當 I/G 位 = 1 時，表示組地址，用來進行多播（以前曾譯為組播）。此時，IEEE 只分配地址字段前三個字節(jié)中的 23 位。

當 I/G 位分別為 0 和 1 時，一個地址塊可分別生成 223 個單個站地址和 223 個組地址。

• 所有 48 位都為 1 時，為廣播地址。只能作為目的地址使用。

全球管理與本地管理

IEEE 把地址字段第一字節(jié)的最低第 2 位規(guī)定為 G/L 位，表示 Global / Local。
當 G/L 位 = 0 時，是全球管理（保證在全球沒有相同的地址），廠商向 IEEE 購買的 OUI 都屬于全球管理。
當 G/L 位 = 1 時， 是本地管理，這時用戶可任意分配網(wǎng)絡上的地址。

四、以太網(wǎng)幀F(xiàn)rame

以太網(wǎng)協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷浇凶鯢rame, 以太網(wǎng)幀，也叫MAC幀。

4.1 以太網(wǎng)幀類型

目前共有4種類型的以太網(wǎng)幀格式：

• Ethernet Ⅱ以太幀
  即DIX 2.0，是Xerox與DEC、Intel在1982年制定的以太網(wǎng)標準幀格式，已成為事實上的以太網(wǎng)幀標準。

• Novell Netware 802.3 Raw以太幀
  Novell Netware 802.3 Raw幀是Novell在1983年公布的專用以太網(wǎng)標準幀格式，其對IEEE 802.3的數(shù)據(jù)字段進行了專門分隔，以便傳輸NetWare類型的數(shù)據(jù)。

• IEEE 802.3 LLC以太幀
  這是1985年由IEEE正式發(fā)布的802.3標準，由Ethernet V2發(fā)展而來。主要是加入了LLC控制字段所以又叫802.3 LLC。

• IEEE 802.3 SNAP以太幀
  這是1985年IEEE為了保證在802.2 LLC上支持更多的上層協(xié)議，同時更好地支持IP協(xié)議而發(fā)布的標準。 后來為解決Ethernet II與802.3的兼容問題推出了折中的SNAP格式。

總的來說，Ethernet II原本只是幾家公司合伙制定的標準，802.3是IEEE發(fā)布的正式國際標準，但由于歷史原因Ethernet II成了事實上大家都遵循的標準。

最初流行的Ethernet Ⅱ幀第三個字段為幀類型，也沒有定義幀長度字段。后來隨著IEEE 802.3幀的發(fā)布，為了允許一些使用以太II版本的數(shù)據(jù)報和一些使用802.3封裝的最初版本的數(shù)據(jù)包能夠在同一個以太網(wǎng)段使用，以太類型值必須大于等于1536(0x0600)。這個值比802.3數(shù)據(jù)包的最大長度1500byte (0x05DC)要更大。因此如果這個字段的值大于等于1536，則這個幀是以太II幀，而那個字段是類型字段。否則(小于1500而大于46字節(jié))，他是一個IEEE 802.3幀，而那個字段是長度字段。1500～1536(不包含)的數(shù)值未定義。

4.2 Ethernet II以太幀

Ethernet Ⅱ幀，也稱為Ethernet V2幀，是如今局域網(wǎng)里最常見的以太幀，是以太網(wǎng)事實標準。
Ethernet II也是目前使用最為廣泛的幀格式也在事實上成為以太網(wǎng)的幀標準。

• 源地址，6個字節(jié)。發(fā)出數(shù)據(jù)包設備的物理地址(MAC地址)，長度是48位，是在網(wǎng)卡出廠時固化的，不可以修改。
• 目的地址，6個字節(jié)。接收數(shù)據(jù)包設備的物理地址。
• 幀協(xié)議類型，2個字節(jié)。該字段有三種值，也就是向上交付時要交付的協(xié)議類型：
  • 0x0800 對應IP
  • 0x0806 對應ARP
  • ox0835 對應RARP
• 有效載荷。有效載荷的大小是46~1500字節(jié)。
• CRC校驗碼，4個字節(jié)。處于幀末尾，用來校驗數(shù)據(jù)是否正確，和校驗和是一樣的作用。

4.3 IEEE802.3幀

可以認為Novell Netware 802.3 Raw以太幀、IEEE 802.3 LLC以太幀 、IEEE 802.3 SNAP以太幀都遵循以下的一個框架結(jié)構(gòu)。

• Length字段。 定義了Data字段包含的字節(jié)數(shù);

• 邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)
  由目的服務訪問點DSAP(Destination Service Access Point)、源服務訪問點SSAP(Source Service Access Point)和Control字段組成;

• SNAP(Sub-network Access Protocol)由機構(gòu)代碼(Org Code)和類型(Type)字段組成。Org Code三個字節(jié)都為0。Type字段的含義與Ethernet_Ⅱ中的Type字段相同；

LLC和SNAP共占用了Data字段的8個字節(jié);
當DSAP和SSAP都取特定值0xff時，802.3幀就變成Netware-Ethernet幀，用于承載Netware類型的幀；
當DSAP和SSAP都取特定值0xaa時，802.3幀就變成Ethernet_SNAP幀，用于傳輸多種協(xié)議；
DSAP和SSAP其他的取值均為純IEEE802.3幀。

4.3.1 802.3 Raw以太幀

    +-----------+-----------+-----------+----------+------------------+----------+|   DMAC    |   SMAC    |   Length  |  0xFFFF  |        Data      |   FCS    ||  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  2 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |+-----------+-----------+-----------+----------+------------------+----------+

字段	長度	含義
DMAC	6字節(jié)	以太網(wǎng)幀的目的MAC地址，指明幀的接收者。
SMAC	6字節(jié)	以太網(wǎng)幀的源MAC地址，指明幀的發(fā)送者。
Length	2字節(jié)	指后續(xù)數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，但不包括FCS字段。
Data	44~1498字節(jié)	數(shù)據(jù)字段，標識幀的負載（可能包含填充位）。數(shù)據(jù)字段的最小長度必須為44字節(jié)以保證幀長至少為64字節(jié)，這意味著傳輸1字節(jié)信息也必須使用44字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。如果填入該字段的信息少于44字節(jié)，該字段的其余部分也必須進行填充。數(shù)據(jù)字段的最大長度為1498字節(jié)。以太幀的長度必須為整數(shù)字節(jié)，因此幀的負載長度不足整數(shù)字節(jié)，需插入填充字段以保證數(shù)據(jù)幀的長度為整數(shù)字節(jié)。
FCS	4字節(jié)	幀校驗序列FCS（Frame Check Sequence）是為接收網(wǎng)卡提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，丟棄此幀。FCS只是通用叫法，具體的FCS還可以細分多種校驗方法。在以太幀中，FCS通常采用循環(huán)冗余碼校驗CRC（Cyclical Redundancy Check）。

802.3 RAW使用Length字段代替了type，又從Data里挪了2個字節(jié)賦值成0xFFFF。前面說過802.3 RAW是Novel公司在IEEE還未正式推出802.3時，在其臨時版本上自己推出的一個版本。在802.3臨時版中使用Length字段代替了type字段，Novel公司沿用了這個設定，但后續(xù)802.3正式發(fā)布時又從Data中挪了3個字節(jié)用作DSAP、SSAP、Control字段（各一個字節(jié)，下面會講到）。為了與正式版的802.3做兼容和區(qū)分，RAW就把DSAP和SSAP這兩個字段賦值成0xFFFF，同時Control字段還是劃回到Data里去。

4.3.2 IEEE 802.3 LLC以太幀

+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+------------------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |   Length  |   DSAP   |   SSAP   |   Ctrl   |        Data      |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  1 Bytes |  1 Bytes |  1 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+------------------+----------+

字段	長度	含義
DMAC	6字節(jié)	目的MAC地址，該字段標識幀的接收者。
SMAC	6字節(jié)	源MAC地址，該字段標識幀的發(fā)送者。
Length	2字節(jié)	指后續(xù)數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，但不包括FCS字段。
DSAP	1字節(jié)	目的服務訪問點，長度為1字節(jié)，取值范圍是0x00~0xFF。
SSAP	1字節(jié)	源服務訪問點，長度為1字節(jié)，取值范圍是0x00~0xFF。
Ctrl	1字節(jié)	該字段值通常設為0x03，表示無連接服務的IEEE 802.2無編號數(shù)據(jù)格式。
Data	43～1497字節(jié)	數(shù)據(jù)字段，標識幀的負載（可能包含填充位）。
FCS	4字節(jié)	幀校驗序列FCS（Frame Check Sequence）是為接收網(wǎng)卡提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，丟棄此幀。FCS只是通用叫法，具體的FCS還可以細分多種校驗方法。在以太幀中，FCS通常采用循環(huán)冗余碼校驗CRC（Cyclical Redundancy Check）。

4.3.3 IEEE 802.3 SNAP以太幀

+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+---------+---------+------------------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |   Length  |   DSAP   |   SSAP   |   Ctrl   |   OUI   |   Type  |        Data      |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |  2 Bytes  |  1 Bytes |  1 Bytes |  1 Bytes | 3 Bytes | 2 Bytes |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+-----------+----------+----------+----------+---------+---------+------------------+----------+

字段	長度	含義
DMAC	6字節(jié)	目的MAC地址，該字段標識幀的接收者。
SMAC	6字節(jié)	源MAC地址，該字段標識幀的發(fā)送者。
Length	2字節(jié)	指后續(xù)數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，但不包括FCS字段。
DSAP	1字節(jié)	目的服務訪問點，該值固定為0xAA。
SSAP	1字節(jié)	源服務訪問點，該值固定為0xAA。
Ctrl	1字節(jié)	該字段值通常設為0x03，表示無連接服務的IEEE 802.2無編號數(shù)據(jù)格式。
SNAP-ID	5字節(jié)	由OUI和Type兩部分組成。
OUI	3字節(jié)	3字節(jié)的組織唯一標識符（Organizationally Unique Identifier），其值通常等于MAC地址的前3字節(jié)，即網(wǎng)絡適配器廠商代碼。
Type	2字節(jié)	標識以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型。根據(jù)RFC1042標準，OUI使用一個特殊的數(shù)值0x00-00-00，當這個字段為0x00-00-00時，Type字段與Ethernet II封裝中的Type具有相同的含義。
Data	38～1492字節(jié)	數(shù)據(jù)字段，標識幀的負載（可能包含填充位）。數(shù)據(jù)字段的最小長度必須為38字節(jié)以保證幀長至少為64字節(jié)，這意味著傳輸1字節(jié)信息也必須使用38字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。如果填入該字段的信息少于38字節(jié)，該字段的其余部分也必須進行填充。數(shù)據(jù)字段的最大長度為1492字節(jié)。以太幀的長度必須為整數(shù)字節(jié)，因此幀的負載長度不足整數(shù)字節(jié)，需插入填充字段以保證數(shù)據(jù)幀的長度為整數(shù)字節(jié)。
FCS	4字節(jié)	幀校驗序列FCS（Frame Check Sequence）是為接收網(wǎng)卡提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，丟棄此幀。FCS只是通用叫法，具體的FCS還可以細分多種校驗方法。在以太幀中，FCS通常采用循環(huán)冗余碼校驗CRC（Cyclical Redundancy Check）。

SNAP是為了將802.3 LLC與Ethernet II進行兼容，兼容方式是保留Length、DSAP、SSAP、Control這4個字段，同時再從Data里挪5個字節(jié)用作SNAP字段。而SNAP字段又由2個部分組成，前3個字節(jié)是org code，其含義是組織代碼，其實就是MAC地址里前3個字節(jié)，所以其實沒啥用。后2個字節(jié)是type與Ethernet II的type字段一模一樣。其實也是通過這個SNAP里的type字段與Ethernet II幀兼容。

為了與LLC幀進行區(qū)別，DSAP、SSAP的值固定為0xAA，Control的值固定為0x03。

4.4 IEEE 802.1Q標簽

IEEE 802.1Q標準對以太幀格式進行了修改，在源MAC地址字段和協(xié)議類型字段之間加入4字節(jié)的802.1Q Tag。802.1Q Tag也稱為VLAN Tag，帶有VLAN Tag的以太幀稱為VLAN幀。

所有四種以太幀類型都可包含一個IEEE 802.1Q選項來確定它屬于哪個VLAN以及他的IEEE 802.1p優(yōu)先級(QoS)。這個封裝由IEEE 802.3ac定義并將幀大小從64字節(jié)擴充到1522字節(jié)(注：不包含7個前導字節(jié)和1個字節(jié)的幀開始符以及12個幀間距字節(jié))。

            +-----------+----------+--------+-----------+|   TPID    |   PRI    |  CFI   |    VID    ||  2 Bytes  |  3 Bits  | 1 Bits |  12 Bits  |+-----------+----------+--------+-----------+|                                           ||                                   ||                          ||              |
+-----------+-----------+--------------+---------------+------+-----------+----------+
|   DMAC    |   SMAC    |  802.1Q Tag  |  Length/Type  |       Data       |   FCS    |
|  6 Bytes  |  6 Bytes  |   4 Bytes    |    2 Bytes    |  Variable length | 4 Bytes  |
+-----------+-----------+--------------+---------------+------+-----------+----------+

4字節(jié)的VLAN TAG 包含以下參數(shù)：

• 2個字節(jié)的標簽協(xié)議標識：0x8100
• 2個字節(jié)的標簽控制信息：
  • 用戶優(yōu)先級：3 位，取值范圍0~7，值越大優(yōu)先級越大。
  • CFI規(guī)范格式標識符：1位，0代表幀VLAN正確，1代表VLAN錯誤
  • VID：12位，標識VALN ID，也就是VLAN號

4.5 最小幀長

以太網(wǎng)幀最小幀長為64B——有效載荷46字節(jié)，這是信號從爭取信道到占領(lǐng)信道的最短時間。
凡是小于64B的幀，都視為被沖突破壞的信號，應當丟棄。如果要發(fā)送小于64B的幀，需要MAC子層在數(shù)據(jù)字段后填充字段。

這個長度是由CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/碰撞檢測）算法以及最大傳輸距離的需求共同決定的。這樣的設計可以避免在網(wǎng)絡中發(fā)生不必要的沖突，確保數(shù)據(jù)包能夠在網(wǎng)絡中正確傳輸。如果數(shù)據(jù)包太短，例如小于64字節(jié)，那么它可能在發(fā)送過程中被網(wǎng)絡中的其他設備誤解為沖突信號，從而導致數(shù)據(jù)丟失或重傳。因此，最小幀長有助于區(qū)分由沖突引起的短幀和正常傳輸?shù)挠杏脦?#xff0c;從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

規(guī)定對10Mbps以太網(wǎng)一幀的最小發(fā)送時間為51.2微秒。這段時間所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為512位，因此也稱該時間為512位時。這個時間定義為以太網(wǎng)時隙，或沖突時槽。512位＝64字節(jié)，這就是以太網(wǎng)幀最小64字節(jié)的原因。

4.6 最大幀長

以太網(wǎng)的最大幀長度為1518字節(jié)（不包括幀校驗序列），其中包括最大的數(shù)據(jù)幀長度為1500字節(jié)和額外的幀頭和幀尾。最大幀長度的設置是為了避免單一主機占用信道時間過長。在不同的網(wǎng)絡環(huán)境下，能夠適應不同的數(shù)據(jù)傳輸需求和網(wǎng)絡負載。

MAC幀協(xié)議規(guī)定自己的有效載荷不能超過1500字節(jié)（由MTU控制——最大傳送單元，可以修改），這1500個字節(jié)限制包括了上層報頭+有效載荷。
路由器也是主機，也有自己的最大MTU的限制，如果某個路由器的MTU為500字節(jié)，但是接收到了局域網(wǎng)內(nèi)某個主機1500字節(jié)的報文，這是路由器就會對這個報文再次進行分片組裝！

數(shù)據(jù)包的大小只有傳輸層能控制，但有時仍會超過1500字節(jié)，只能由IP協(xié)議進行分片與組裝來解決，發(fā)送端IP層進行分片，每一個分片都會有IP報頭，對端IP層進行組裝（字節(jié)超限并不是主流情況）。TCP和MAC幀并不關(guān)心IP對數(shù)據(jù)包進行了分片和組裝，這僅僅是IP層自己的行為。

4.7 協(xié)議類型

如上圖，0x0800表示要分用給IP協(xié)議，0x0806表示要分用給ARP協(xié)議，0x8035表示要交給RARP協(xié)議，后兩者協(xié)議在后面會詳細介紹。

4.8 解包

從整個數(shù)據(jù)幀讀取前14個字節(jié)，然后再從最后讀取4個字節(jié)，剩下的就是有效載荷，如此就完成了解包過程。

4.9 分用

根據(jù)幀協(xié)議類型交給對應的上層協(xié)議即可，如0x0800就交給網(wǎng)絡層的IP協(xié)議去處理有效載荷。

五、MTU

對于以太網(wǎng)來說，既然會存在碰撞，那么發(fā)生的數(shù)據(jù)幀是長了好還是短了好呢？

太長和太短都不行，太短會導致數(shù)據(jù)幀無法校驗，因為CRC校驗是需要數(shù)據(jù)幀中有一定數(shù)量的有效載荷的，所以MAC幀協(xié)議規(guī)定，有效載荷的長度要大于等于46字節(jié)。如果最終交付到數(shù)據(jù)鏈路層的有效載荷太小，小于46字節(jié)，MAC幀協(xié)議會在后面補充到46字節(jié)。

如果太長的話，數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臅r間就會變長，從而增加了數(shù)據(jù)碰撞的概率，也不合適，所以MAC幀協(xié)議規(guī)定有效載荷的最大值是1500字節(jié)，也被叫做以太網(wǎng)的最大傳輸單元(MTU)。

不同的網(wǎng)絡類型有不同的MTU。
如果IP層的數(shù)據(jù)報大于MTU了，則需要分片，然后再交給數(shù)據(jù)鏈路層。

5.1 MTU對IP協(xié)議的影響

由于數(shù)據(jù)鏈路層MTU的限制, 對于較大的IP數(shù)據(jù)包要進行分包：

1. 將較大的IP包分成多個小包, 并給每個小包打上標簽;
2. 每個小包IP協(xié)議頭的 16位標識(id) 都是相同的;
3. 每個小包的IP協(xié)議頭的3位標志字段中, 第2位置為0, 表示允許分片, 第3位來表示結(jié)束標記(當前是否是最后一個小包, 是的話置為1, 否則置為0);
4. 到達對端時再將這些小包, 會按順序重組, 拼裝到一起返回給傳輸層;
5. 一旦這些小包中任意一個小包丟失, 接收端的重組就會失敗，但是IP層不會負責重新傳輸數(shù)據(jù)，傳輸層若為TCP將超時重傳，UDP將表現(xiàn)為丟包。

5.2 MTU對UDP協(xié)議的影響

1. 一旦UDP攜帶的數(shù)據(jù)超過1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就會在網(wǎng)絡層分成多個IP數(shù)據(jù)報。
2. 這多個IP數(shù)據(jù)報有任意一個丟失, 都會引起接收端網(wǎng)絡層重組失敗. 那么這就意味著, 如果UDP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡層被分片, 整個數(shù)據(jù)被丟失的概率就大大增加了。

5.3 MTU對TCP協(xié)議的影響

1. TCP的一個數(shù)據(jù)報也不能無限大, 還是受制于MTU。TCP的單個數(shù)據(jù)報的最大消息長度, 稱為MSS(Max Segment Size);
2. TCP在建立連接的過程中, 通信雙方會進行MSS協(xié)商。最理想的情況下, MSS的值正好是在IP不會被分片處理的最大長度(這個長度仍然是受制于數(shù)據(jù)鏈路層的MTU)。
3. 雙方在發(fā)送SYN的時候會在TCP頭部寫入自己能支持的MSS值。
4. 然后雙方得知對方的MSS值之后, 選擇較小的作為最終MSS。
5. MSS的值就是在TCP首部的40字節(jié)變長選項中(kind=2)。

六、ARP協(xié)議

https://www.ietf.org/rfc/rfc826.txt

6.1 ARP協(xié)議的作用

ARP協(xié)議是一個介于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層之間的協(xié)議。
在局域網(wǎng)通信中，必須得知道目標主機的MAC地址才能將數(shù)據(jù)封裝成MAC幀。
源主機的應用程序知道目的主機的IP地址和端口號,卻不知道目的主機的MAC地址，需要使用ARP協(xié)議來查找IP和MAC地址的映射關(guān)系。

6.2 ARP老化

ARP緩存表中保存了IP地址和對應的MAC地址映射關(guān)系。但是，網(wǎng)絡中的設備是動態(tài)的，可能會發(fā)生IP地址分配變化或設備更換的情況。為了保持ARP緩存表的準確性，需要一種機制來處理過時的條目。這就是ARP老化機制。

ARP老化是指ARP緩存表中的條目在一定時間內(nèi)沒有被使用而被刪除的過程。每個條目都有一個生存時間（存活時間），一般默認為20分鐘左右。如果在該時間內(nèi)沒有再次與該IP地址通信，那么該條目將被刪除。當然，如果在生存時間內(nèi)繼續(xù)與該IP地址通信，那么該條目的生存時間會被重置，以保持其有效性。

在Linux中，ARP老化是由內(nèi)核的網(wǎng)絡協(xié)議棧負責的。內(nèi)核會定期檢查ARP緩存表中的條目，并清除過時的條目，以確保ARP緩存表的及時更新。

6.3 ARP協(xié)議格式

ARP協(xié)議下層是MAC幀（幀類型為0x0806）。

ARP數(shù)據(jù)包字段：

• 硬件類型，2字節(jié)。指鏈路層網(wǎng)絡類型, 1為以太網(wǎng)。
• 協(xié)議類型，2字節(jié)。指發(fā)送方要轉(zhuǎn)換的地址類型，0x0800為IP地址;
• 硬件地址長度，1字節(jié)。對于ARP請求或者應答來說，該值為6，物理地址長度。
• 協(xié)議地址長度，1字節(jié)。對于ARP請求或者應答來說，該值為4，IP地址長度。
• op操作類型，2字節(jié)。1表示ARP請求,2表示ARP應答。
• 發(fā)送端以太網(wǎng)地址，6字節(jié)。和以太網(wǎng)源地址相同。
• 發(fā)送端IP地址，4字節(jié)。
• 目的以太網(wǎng)地址，6字節(jié)。發(fā)送ARP請求時，該字段置0。
• 目的IP地址，4字節(jié)。

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太網(wǎng)首部和ARP請求中各出現(xiàn)一次,對于鏈路層為以太網(wǎng)的情況是多余的,但如果鏈路層是其它類型的網(wǎng)絡則有可能是必要的。

6.4 ARP請求

6.4.1 ARP廣播請求

當一個主機第一次想去獲取同一網(wǎng)絡中某個設備的MAC地址，由于此時主機不知道設備的MAC地址，所以只能廣播ARP請求，以便于這個ARP請求能被設備收到；當?shù)谝粋€過程走完之后（其實就是主機收到了設備的ARP應答），雙方都知道對方的IP–MAC映射，也會在自己的ARP表中生成這個映射。

這是一條10.10.11.14發(fā)出的廣播請求，詢問10.10.11.114的MAC地址。

• 硬件類型為1，說明為以太網(wǎng)
• 協(xié)議類型為0x0800, IPv4
• 硬件地址長度為6
• 協(xié)議長度為4
• 操作類型為1，表示ARP請求
• 發(fā)送端MAC地址 和 MAC幀頭部源MAC地址一樣。
• 發(fā)送端IP地址為本機地址
• 目的以太網(wǎng)地址留空，ARP請求置0
• 目的IP地址，就是要查詢的IP地址。

MAC地址FF:FF:FF:FF:FF:FF, 代表這是一個廣播MAC幀。

6.4.2 ARP單播請求

由于ARP老化機制第二種–單播輪詢，主機會定期向設備發(fā)送點到點的單播ARP請求報文，用來確認對方是否存在，確認這條ARP緩存是該更新（主要是更新老化定時器）還是刪除，同時，使用單播還可以減少網(wǎng)絡中的ARP報文數(shù)量；因此。這種"明知故問"的單播ARP請求報文其實是非常合理的

這是10.10.11.114發(fā)出的一個ARP請求，問詢10.10.11.14的MAC地址，以前已經(jīng)知道，才能填寫在MAC幀的首部，但是要過期了，查詢是否需要更新。

6.5 ARP應答

目的主機接收到ARP請求,發(fā)現(xiàn)其中的IP地址與本機相符,則發(fā)送一個ARP應答數(shù)據(jù)包給源主機,將自己的硬件地址填寫在應答包中;ARP收到應答的時候，會以最新的應答為準。
當被請求主機發(fā)送ARP應答時，其他主機在數(shù)據(jù)鏈路層就可以通過以太網(wǎng)目的地址字段區(qū)分這個MAC幀是不是給我的。

6.6 Gratuitous ARP（免費 ARP）

Gratuitous ARP 是一種特殊的 ARP 請求，當主機啟動時，發(fā)送一個 Gratuitous ARP 請求，即請求自己的 IP 地址和 MAC 地址，即目標 IP 地址為 自己的 IP 地址。

Gratuitous ARP 的作用 - 以廣播的形式發(fā)送自己的 IP 地址 和 MAC 地址，在網(wǎng)絡中宣告自己的信息，可以是宣告新添加的主機或者更新自己的 MAC 地址 - 檢測 IP 地址沖突，若收到了 ARP 響應報文，則說明網(wǎng)絡中已存在使用該 IP 地址的主機。

七、RARP協(xié)議

Reverse Address Resolution Protocal，逆地址解析協(xié)議。
https://www.ietf.org/rfc/rfc903.txt

7.1 RARP協(xié)議作用

允許局域網(wǎng)的物理機器使用MAC地址，從網(wǎng)關(guān)服務器的ARP表或緩存上請求IP地址。
主要用于無盤工作站，因為給無盤工作站配置IP地址不能保存。

在網(wǎng)絡中配置一臺RARP服務器，里面保存著IP地址和MAC地址的映射關(guān)系，當無盤工作站啟動后，就封裝一個RARP數(shù)據(jù)包，里面有其MAC地址，然后廣播到網(wǎng)絡上去，當服務器收到請求包后，就查找對應的MAC地址的IP地址裝入響應報文中發(fā)回給請求者。因為需要廣播請求報文，因此，RARP只能用于具有廣播能力的網(wǎng)絡。

7.2 RARP工作原理

1. 發(fā)送端發(fā)送一個本地的RARP廣播包，在此廣播包中聲明自己的MAC地址，并且請求任何收到此請求的RARP服務器分配一個IP地址。
2. 本地網(wǎng)段上的RARP服務器收到此請求后，檢查其RARP列表，查找該MAC地址對應的IP地址。如果存在，RARP服務器就給源主機發(fā)送一個響應數(shù)據(jù)包，并將此IP地址提供給對方主機使用；如果不存在，RARP服務器對此不做任何響應。
3. 源端在收到從RARP服務器來的響應信息后，利用得到的IP地址進行通信；如果一直沒有收到RARP服務器的響應信息，則表示初始化失敗。

7.3 RARP協(xié)議格式

RARP協(xié)議格式和ARP協(xié)議格式相同。使用區(qū)別是：

• RARP請求或應答幀代碼類型是0x8035，
• RARP的請求的操作代碼是3，應答操作代碼是4。
  

可以看出這個包發(fā)送出來的時候是沒有IP地址的——因為不知道，就是要查詢自己的IP。
然后是目的MAC是一個廣播地址。

八、以太網(wǎng)幀F(xiàn)rame的傳輸過程

以太網(wǎng)采用廣播機制，所有與網(wǎng)絡連接的工作站都可以看到網(wǎng)絡上傳遞的數(shù)據(jù)。通過查看包含在幀中的目標地址，確定是否進行接收或放棄。如果證明數(shù)據(jù)確實是發(fā)給自己的，工作站將會接收數(shù)據(jù)并傳遞給高層協(xié)議進行處理。

以太網(wǎng)采用CSMA/CD媒體訪問機制，任何工作站都可以在任何時間訪問網(wǎng)絡。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，工作站首先需要偵聽網(wǎng)絡是否空閑，如果網(wǎng)絡上沒有任何數(shù)據(jù)傳送，工作站就會把所要發(fā)送的信息投放到網(wǎng)絡當中。否則，工作站只能等待網(wǎng)絡下一次出現(xiàn)空閑的時候再進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

而局域網(wǎng)中存在多臺主機，這些主機都和以太網(wǎng)相連，都能夠看到以太網(wǎng)，故而也能看到以太網(wǎng)中跑的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡通信本質(zhì)上就是進程間通信，而網(wǎng)絡就是臨界資源。
所以局域網(wǎng)中的所有主機都唔那個收到主機MAC1發(fā)送的數(shù)據(jù)，每臺主機在收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)鏈路層會對比數(shù)據(jù)幀報頭中的目的MAC地址，如果和自己的MAC地址相同，則進行解包分用交給下一層。

如果數(shù)據(jù)幀報頭中的目的MAC地址和自己的MAC地址不符，那么直接在數(shù)據(jù)鏈路層就丟棄該數(shù)據(jù)，上層根本不知道曾經(jīng)有過這個數(shù)據(jù)。

8.1 單播

主機B給主機C發(fā)送單播幀，主機B首先要構(gòu)建該單播幀，在幀首部中的目的地址字段填入主機C的MAC地址，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上幀首部的其他字段、數(shù)據(jù)載荷以及幀尾部，就構(gòu)成了該單播幀

主機B將該單播幀發(fā)送出去，主機A和C都會收到該單播幀
主機A的網(wǎng)卡發(fā)現(xiàn)該單播幀的目的MAC地址與自己的MAC地址不匹配，于是丟棄該幀
主機C的網(wǎng)卡發(fā)現(xiàn)該單播幀的目的MAC地址與自己的MAC地址匹配，于是接受該幀，并將該幀交給其上層處理

8.2 廣播

假設主機B要發(fā)送一個廣播幀，主機B首先要構(gòu)建該廣播幀，在幀首部中的目的地址字段填入廣播地址，也就是十六進制的全F，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上幀首部中的其他字段、數(shù)據(jù)載荷以及幀尾部，就構(gòu)成了該廣播幀

主機B將該廣播幀發(fā)送出去，主機A和C都會收到該廣播幀，發(fā)現(xiàn)該幀首部中的目的地址字段的內(nèi)容是廣播地址，就知道該幀是廣播幀，主機A和主機C都接受該幀，并將該幀交給上層處理

8.3 多播

假設主機A要發(fā)送多播幀給該多播地址。將該多播地址的左起第一個字節(jié)寫成8個比特，第一個字節(jié)的最低比特位是1，這就表明該地址是多播地址
快速判斷地址是不是多播地址，就是上圖所示箭頭所指的第十六進制數(shù)不能整除2（1,3,5,7,9,B,D,F），則該地址是多播地址
假設主機B，C和D支持MAC多播，各用戶給自己的主機配置多播組列表如下所示

主機B屬于兩個多播組，主機C也屬于兩個多播組，而主機D不屬于任何多播組

主機A首先要構(gòu)建該多播幀，在幀首部中的目的地址字段填入該多播地址，源地址字段填入自己的MAC地址，再加上幀首部中的其他字段、數(shù)據(jù)載荷以及幀尾部，就構(gòu)成了該多播幀

主機A將該多播幀發(fā)送出去，主機B、C、D都會收到該多播幀
主機B和C發(fā)現(xiàn)該多播幀的目的MAC地址在自己的多播組列表中，因此主機B和C都會接受該**多播幀，**并交付給上層處理
主機D發(fā)現(xiàn)該多播幀的目的MAC地址不在自己的多播組列表中，則丟棄該多播幀

8.3 兩主機同一子網(wǎng)，不經(jīng)過網(wǎng)關(guān)

當主機A發(fā)向主機B的數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡層封裝成IP數(shù)據(jù)包，IP數(shù)據(jù)包的首部包含了源地址和?標地址。
主機A會?本機配置的24位IP網(wǎng)絡掩碼255.255.255.0與目標地址進?與運算，得出?標網(wǎng)絡地址與本機的?絡地址是不是在同?個?段中。

如果在同一個子網(wǎng)，可以通過ARP協(xié)議獲取目的IP的MAC地址，數(shù)據(jù)鏈路層直接封裝以太網(wǎng)幀發(fā)送出去。
這個過程中源IP、目標IP、源MAC、目標MAC都不會改變。

8.3 路由轉(zhuǎn)發(fā)過程

當主機A發(fā)向主機B的數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡層封裝成IP數(shù)據(jù)包，IP數(shù)據(jù)包的首部包含了源地址和?標地址。
主機A會?本機配置的24位IP網(wǎng)絡掩碼255.255.255.0與目標地址進?與運算，得出?標網(wǎng)絡地址與本機的?絡地址是不是在同?個?段中。

如果不是將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)。在發(fā)往?關(guān)前主機A還會通過ARP的請求獲得默認?關(guān)的MAC地址。在主機A數(shù)據(jù)鏈路層IP數(shù)據(jù)包封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，然后才發(fā)住到網(wǎng)關(guān)……也就是路由器上的?個端?。

當網(wǎng)關(guān)路由器接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀中的目標MAC地址是自己的某?個端?的物理地址，這時路由器會把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的封裝去掉。路由器認為這個IP數(shù)據(jù)包是要通過自己進行轉(zhuǎn)發(fā)，接著它就在匹配路由表。匹配到路由項后，它就將包發(fā)往下?條地址。

IP地址始終不變

目的IP地址是為了確認目的主機。如果IP地址改變則目的主機改變無法進行正常通信。
源IP地址由于NAT等相關(guān)技術(shù)可能會發(fā)生變化，看情況。

經(jīng)過交換機， 源/目的MAC地址不變

數(shù)據(jù)幀在交換機之間轉(zhuǎn)發(fā)。在一個網(wǎng)段內(nèi)部，通過數(shù)據(jù)包通過MAC尋址（二層交換機和終端都有MAC表，查表或者通過MAC廣播）因此在二層交換機，數(shù)據(jù)包里的源目MAC地址肩負著把數(shù)據(jù)包從發(fā)包終端傳遞到目的IP所在終端（網(wǎng)段的其他主機~其他網(wǎng)段IP的話就是給網(wǎng)關(guān)）的任務。

經(jīng)過路由器，源/目的MAC地址變

經(jīng)過路由器，由于三層設備轉(zhuǎn)發(fā)，跨網(wǎng)段了，原來的MAC地址當然就不能使用了，所以出接口的MAC此時成為在新一個網(wǎng)段實現(xiàn)兩個IP之間尋址的源MAC，根據(jù)MAC表找到匹配到的路由條目指出的需要轉(zhuǎn)給的下一個IP的MAC地址（沒的話ARP廣播得到），然后封裝好新的源目MAC，轉(zhuǎn)給新網(wǎng)段之間的交換機。。。直到完成新的網(wǎng)段里兩點之間的數(shù)據(jù)包的傳遞。

在幀不斷轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，IP源/目的地址不變，MAC源/目的地址根據(jù)所經(jīng)過的路由器端口變化。

參考：

• https://www.cnblogs.com/kingwz/p/16938768.html
• https://blog.csdn.net/sj15814963053/article/details/124128878