Linux以太网数据链路层详解

本文深入解析了Linux网络中至关重要的以太网数据链路层技术，作为全球应用最广泛的局域网技术，以太网凭借其兼容性、成本效益和可扩展性成为网络基础。文章详细剖析了以太网帧格式，包括MAC地址、类型字段、数据部分和CRC校验，并阐述了局域网内部及跨局域网通信原理。同时，探讨了最大传输单元MTU和TCP MSS的概念，以及ARP协议在IP地址与MAC地址映射中的作用。此外，文章还深入解析了NAT技术，特别是NAPT机制如何解决IPv4地址短缺问题，实现内网主机共享公网IP访问，为理解Linux网络底层原理提供了全面的技术解读。

一、以太网

以太网是一种广泛采用的技术规范，涵盖了数据链路层与物理层的相关内容，是目前全球使用最广泛的局域网技术。它具备良好的兼容性、低廉的成本以及出色的扩展能力。

二、以太网帧格式 以太网帧的结构中，目的地址和源地址分别对应我们常说的MAC地址。MAC地址是网卡出厂时就固化好的硬件标识，共48位（6字节）。类型字段用于指明以太网头部后跟随的数据包属于哪种协议类型，即指示该帧应被送往哪个上层协议进行处理。常见的三种类型包括IP、ARP和RARP。数据部分为有效载荷，也就是来自网络层的数据报文。CRC字段则用于帧校验，通过特定算法对帧中的某些值进行计算，接收端也会执行相同的算法并对比结果，若一致则认为帧正确，否则丢弃或要求重传。图中下方三个示例展示了不同类型的数据报文，其中类型字段分别为0800（IP）、0806（ARP）、8035（RARP），除类型字段外的部分即为有效载荷。对于ARP和RARP而言，PAD字段用于填充，确保整个以太网帧长度不小于64字节。ARP（地址解析协议）用于根据IP地址查找对应的MAC地址，而RARP（反向地址解析协议）则用于通过MAC地址获取对应的IP地址，有关它们的详细说明将在后续介绍。

三、局域网通信原理 局域网内部通信 假设当前局域网中只有MAC1在发送信息，其发出的消息会被所有主机接收到。但由于该消息的目标地址是MAC5，因此其他主机在收到后会检查目标地址，发现不是自己便将其丢弃，而MAC5则会继续将数据向上层传递。实际上，局域网是一种共享资源，当多个用户同时发送大量数据时，可能会出现数据碰撞导致丢包重传，从而引起网络延迟。 跨局域网通信 数据在传输过程中，会在数据链路层剥离MAC首部，在网络层剥离IP首部，随后重新封装IP和MAC首部。MAC地址仅作用于局部网络，只知道下一跳地址；而IP地址则知道最终目的地，两者相互配合实现数据准确送达。

四、最大传输单元MTU 以太网帧中的数据部分最小为46字节，最大为1500字节，这个最大值被称为MTU（Maximum Transmission Unit）。不同类型的网络具有不同的MTU值。如果一个数据包超过MTU大小，则需要进行分片处理。TCP单个数据报的最大有效数据长度称为MSS（Maximum Segment Size）。在整个以太网帧中，去掉以太网首尾部、IP首部和TCP首部后的剩余部分就是真正的数据内容。为了尽量避免分片，MSS也代表了不分片情况下的最大数据长度。MSS的值在TCP三次握手期间通过选项字段交换确定，并取双方较小值作为最终MSS。对于UDP来说，MSS等于MTU减去UDP报头长度即可。

五、ARP协议 1、概念 ARP协议并非单纯属于数据链路层，而是介于数据链路层与网络层之间的一种协议。它的主要作用是建立IP地址与MAC地址之间的映射关系。当已知对方IP地址但不知其MAC地址时，可通过ARP报文获取目标MAC地址，从而完成数据传输。 2、ARP数据报格式 MAC首部中的目的地址为广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示所有主机都能接收到此帧。类型字段为0x0806，表示这是ARP数据报。硬件类型为1，表示以太网；协议类型为0x0800，表示IP地址。硬件地址长度为6字节，协议地址长度为4字节。op字段表示操作码，1为ARP请求，2为ARP响应，3为RARP请求，4为RARP响应。发送端包含本机MAC地址与IP地址，目的端MAC地址未知故填0，目的IP地址为目标主机的IP地址。 3、ARP工作流程 当网络层准备发送数据但缺少目标MAC地址时，便会构建一个ARP请求。该请求由数据链路层进行封装，添加以太网首部及CRC校验后发送至局域网中。所有主机都会接收到该帧并进行判断：若非自身IP地址则丢弃，若匹配则返回ARP响应，告知请求方自己的MAC地址。本机在收到响应后，会将对方的信息缓存在ARP表中一段时间，以便后续通信直接使用。过期后如需再次通信，则需重新发起ARP请求。需要注意的是，ARP请求只能在同一局域网内进行。 RARP的工作机制与ARP类似，区别在于它可以定向发送数据到指定MAC地址的主机，并由该主机精确返回所需信息。

六、深入解析NAT技术 1、NAT简介 此前我们已经详细介绍过NAT技术，它是为了解决IPv4地址短缺问题而提出的解决方案。NAT将IP地址划分为公网地址和私网地址，私网地址不能直接出现在公网中。路由器通过逐级转换，将私网地址映射为公网地址。然而，这里存在一个问题：当多个内网主机访问同一外部服务器时，服务器返回的数据包目标地址相同，如何准确地将数据包转发回正确的主机？这就需要引入NAPT来解决这个问题。 2、NAPT机制 NAPT利用“IP地址+端口号”组合来建立连接关系。以下是一个典型场景： 路由器分配的内网IP段为192.168.1.0/24，公网IP为202.100.1.1。 主机A（192.168.1.2:1000）访问百度 原始数据包：源IP 192.168.1.2:1000 → 目标IP 180.101.49.12:80 经NAPT转换后，源IP变为202.100.1.1:50001，并记录映射关系：192.168.1.2:1000 ↔ 202.100.1.1:50001 发送至公网后，源地址为202.100.1.1:50001。 同样地，主机B（192.168.1.3:2000）访问百度时，NAPT将其转换为202.100.1.1:50002，并新增映射记录：192.168.1.3:2000 ↔ 202.100.1.1:50002 公网看到的是来自同一公网IP的不同端口请求。当百度响应时，响应包的目标地址为202.100.1.1:50001或50002，NAPT设备根据映射表将目标地址还原为192.168.1.2:1000或192.168.1.3:2000，并转发给相应主机。端口号成为区分不同内网主机的关键标识，NAPT通过维护动态映射表实现双向通信。

3、NAPT与基本NAT对比特性基本NAT（一对一）NAPT（多对一） 地址占用 每台设备需独立公网IP 多台设备可共享一个公网IP 端口处理方式 不改变端口号 端口号随机或固定范围映射 适用环境 服务器对外映射 家庭或企业内网共享上网

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