Linux網路程式設計——乙太網

宗旨：技術的學習是有限的，分享的精神是無限的。

1、乙太網幀格式

        源地址和目的地址是指網絡卡的硬體地址（也叫MAC地址），長度是48位，是在網絡卡出廠時固化的。用ifconfig命令檢視，“ 硬體地址 00:0c:29:cf:7e:1a ” 。協議欄位有三種值，分別對應IP、 ARP、 RARP。幀末尾是CRC校驗碼。

        ARP和RARP資料包的長度不夠46位元組，要在後面補填充位。最大值1500稱為乙太網的最大傳輸單元（ MTU），不同的網路型別有不同的MTU，如果一個數據包從乙太網路由到撥號鏈路上，資料包長度大於撥號鏈路的MTU了，則

2、資料報格式

        在網路通訊時，源主機的應用程式知道目的主機的IP地址和埠號，卻不知道目的主機的硬體地址，而資料包首先是被網絡卡接收到再去處理上層協議的，如果接收到的資料包的硬體地址與本機不符，則直接丟棄。因此在通訊前必須獲得目的主機的硬體地址。 ARP協議就起到這個作用。源主機發出ARP請求，詢問“IP地址是192.168.0.1的主機的硬體地址是多少”，並將這個請求廣播到本地網段（乙太網幀首部的硬體地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF

        每臺主機都維護一個ARP快取表，可以用arp -a命令檢視。快取表中的表項有過期時間（一般為20分鐘），如果20分鐘內沒有再次使用某個表項，則該表項失效，下次還要發ARP請求來獲得目的主機的硬體地址。

ARP資料報格式：

        注意到源MAC地址、目的MAC地址在乙太網首部和ARP請求中各出現一次，對於鏈路層為乙太網的情況是多餘的，但如果鏈路層是其它型別的網路則有可能是必要的。硬體型別指鏈路層網路類型，1為乙太網，協議型別指要轉換的地址型別，

例如請求幀：

乙太網首部（ 14位元組）

0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06

ARP幀（ 28位元組）

0000: 00 01

0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37

0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 0218

填充位（ 位元組）

0020: 00 77 31 d2 50 10

0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

乙太網首部：目的主機採用廣播地址，源主機的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上層協議型別0x0806表示ARP。

ARP幀：硬體型別0x0001表示乙太網，協議型別0x0800表示IP協議，硬體地址（MAC地址）長度為6，協議地址（IP地址）長度為4，op為0x0001表示請求目的主機的MAC地址，源主機MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，源主機IP地址為c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主機MAC地址全0待填寫，目的主機IP地址為c0 a8 00 02（192.168.0.2）。

由於乙太網規定最小資料長度為46位元組， ARP幀長度只有28位元組，因此有18位元組填充位，填充位的內容沒有定義，與具體實現相關。

應答幀如下：

乙太網首部

0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06

ARP幀0000: 00 01

0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02

0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37

填充位0020: 00 77 31 d2 50 100030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

乙太網首部：目的主機的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主機的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40，上層協議型別0x0806表示ARP。

ARP幀：硬體型別0x0001表示乙太網，協議型別0x0800表示IP協議，硬體地址（ MAC地址）長度為6，協議地址（ IP地址）長度為4，op為0x0002表示應答，源主機MAC地址為00:05:5d:a1:b8:40，源主機IP地址為c0 a8 00 02（ 192.168.0.2），目的主機MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，目的主機IP地址為c0 a8 00 37（ 192.168.0.55）。

3、資料報格式

        IP資料報的首部長度和資料長度都是可變長的，但總是4位元組的整數倍。對於IPv4，4位版本欄位是4。4位首部長度的數值是以4位元組為單位的，最小值為5，也就是說首部長度最小是4x5=20位元組，也就是不帶任何選項的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是說首部長度最大是60位元組。8位TOS欄位有3個位用來指定IP資料報的優先順序（目前已經廢棄不用），還有4個位表示可選的服務型別（最小延遲、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），還有一個位總是0。總長度是整個資料報（包括IP首部和IP層payload）的位元組數。每傳一個IP資料報，16位的標識加1，可用於分片和重新組裝資料報。3位標誌和13位片偏移用於分片。 TTL（Time to live)是這樣用的：源主機為資料包設定一個生存時間，比如64，每過一個路由器就把該值減1，如果減到0就表示路由已經太長了仍然找不到目的主機的網路，就丟棄該包，因此這個生存時間的單位不是秒，而是跳（hop）。協議欄位指示上層協議是TCP、UDP、ICMP還是IGMP。然後是校驗和，只校驗IP首部，資料的校驗由更高層協議負責。IPv4的IP地址長度為32位。

4、IP地址

        IPv4的IP地址長度為4位元組，通常採用點分十進位制表示法（dotted decimal representation）例如0xc0a80002表示為192.168.0.2。 Internet被各種路由器和閘道器裝置分隔成很多網段，為了標識不同的網段，需要把32位的IP地址劃分成網路號和主機號兩部分，網路號相同的各主機位於同一網段，相互間可以直接通訊，網路號不同的主機之間通訊則需要通過路由器轉發。

A類 0.0.0.0到127.255.255.255

B類 128.0.0.0到191.255.255.255

C類 192.0.0.0到223.255.255.255

D類 224.0.0.0到239.255.255.255

E類 240.0.0.0到247.255.255.255

        一個A類網路可容納的地址數量最大，一個B類網路的地址數量是65536，一個C類網路的地址數量是256。 D類地址用作多播地址， E類地址保留未用。

        網路號和主機號的劃分需要用一個額外的子網掩碼（subnet mask）來表示，而不能由IP地址本身的數值決定，也就是說，網路號和主機號的劃分與這個IP地址是A類、 B類還是C類無關，因此稱為Classless的。這樣，多個子網就可以彙總（summarize）成一個Internet上的網路，例如，有8個站點都申請了C類網路，本來網路號是24位的，但是這8個站點通過同一個ISP（Internet serviceprovider）連到Internet上，它們網路號的高21位是相同的，只有低三位不同，這8個站點就可以彙總，在Internet上只需要一個路由表項，資料包通過Internet上的路由器到達ISP，然後在ISP這邊再通過次級的路由器選路到某個站點。

例如：子網1

子網2：

        IP地址與子網掩碼做與運算可以得到網路號，主機號從全0到全1就是子網的地址範圍。IP地址和子網掩碼還有一種更簡潔的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址為140.252.20.68，子網掩碼的高24位是1，也就是255.255.255.0。

        如果一個組織內部組建區域網， IP地址只用於區域網內的通訊，而不直接連到Internet上，理論上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918規定了用於組建區域網的私有IP地址，這些地址不會出現在Internet上，如下表所示。

10.*，前8位是網路號，共16,777,216個地址

172.16.*到172.31.*，前12位是網路號，共1,048,576個地址

192.168.*，前16位是網路號，共65,536個地址

        127.*的IP地址用於本機環回(loop back)測試，通常是127.0.0.1。loopback是系統中一種特殊的網路裝置，如果傳送資料包的目的地址是環回地址，或者與本機其它網路裝置的IP地址相同，則資料包不會發送到網路介質上，而是通過環回裝置再發回給上層協議和應用程式，主要用於測試。