Linux網絡編程——以太網

宗旨：技術的學習是有限的，分享的精神是無限的。

1、以太網幀格式

? ? ? ? 源地址和目的地址是指網卡的硬件地址（也叫MAC地址），長度是48位，是在網卡出廠時固化的。用ifconfig命令查看，“?硬件地址?00:0c:29:cf:7e:1a?”?。協議字段有三種值，分別對應IP、?ARP、?RARP。幀末尾是CRC校驗碼。

? ? ? ? ARP和RARP數據包的長度不夠46字節，要在后面補填充位。最大值1500稱為以太網的最大傳輸單元（?MTU），不同的網絡類型有不同的MTU，如果一個數據包從以太網路由到撥號鏈路上，數據包長度大于撥號鏈路的MTU了，則需要對數據包進行分片（?fragmentation）。ifconfig查看“?MTU:1500”。MTU這個概念指數據幀中有效載荷的最大長度，不包括幀首部的長度。

2、數據報格式

? ? ? ? 在網絡通訊時，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硬件地址，而數據包首先是被網卡接收到再去處理上層協議的，如果接收到的數據包的硬件地址與本機不符，則直接丟棄。因此在通訊前必須獲得目的主機的硬件地址。?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的主機的硬件地址是多少”，并將這個請求廣播到本地網段（以太網幀首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示廣播），目的主機接收到廣播的ARP請求，發現其中的IP地址與本機相符，則發送一個ARP應答數據包給源主機，將自己的硬件地址填寫在應答包中。

? ? ? ? 每臺主機都維護一個ARP緩存表，可以用arp?-a命令查看。緩存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件地址。

ARP數據報格式：

? ? ? ? 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太網首部和ARP請求中各出現一次，對于鏈路層為以太網的情況是多余的，但如果鏈路層是其它類型的網絡則有可能是必要的。硬件類型指鏈路層網絡類型，1為以太網，協議類型指要轉換的地址類型，0x0800為IP地址，后面兩個地址長度對于以太網地址和IP地址分別為6和4（字節），op字段為1表示ARP請求，op字段為2表示ARP應答。

例如請求幀：

以太網首部（?14字節）

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

ARP幀（?28字節）

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（?字節）

0020:?00?77?31?d2?50?10

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

以太網首部：目的主機采用廣播地址，源主機的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上層協議類型0x0806表示ARP。

ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網，協議類型0x0800表示IP協議，硬件地址（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）。

由于以太網規定最小數據長度為46字節，?ARP幀長度只有28字節，因此有18字節填充位，填充位的內容沒有定義，與具體實現相關。

應答幀如下：

以太網首部

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

以太網首部：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，上層協議類型0x0806表示ARP。

ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網，協議類型0x0800表示IP協議，硬件地址（?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、數據報格式

? ? ? ? IP數據報的首部長度和數據長度都是可變長的，但總是4字節的整數倍。對于IPv4，4位版本字段是4。4位首部長度的數值是以4字節為單位的，最小值為5，也就是說首部長度最小是4x5=20字節，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字節。8位TOS字段有3個位用來指定IP數據報的優先級（目前已經廢棄不用），還有4個位表示可選的服務類型（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?？傞L度是整個數據報（包括IP首部和IP層payload）的字節數。每傳一個IP數據報，16位的標識加1，可用于分片和重新組裝數據報。3位標志和13位片偏移用于分片。?TTL（Time?to?live)是這樣用的：源主機為數據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絡，就丟棄該包，因此這個生存時間的單位不是秒，而是跳（hop）。協議字段指示上層協議是TCP、UDP、ICMP還是IGMP。然后是校驗和，只校驗IP首部，數據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字節，通常采用點分十進制表示法（dotted?decimal?representation）例如0xc0a80002表示為192.168.0.2。?Internet被各種路由器和網關設備分隔成很多網段，為了標識不同的網段，需要把32位的IP地址劃分成網絡號和主機號兩部分，網絡號相同的各主機位于同一網段，相互間可以直接通信，網絡號不同的主機之間通信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類網絡可容納的地址數量最大，一個B類網絡的地址數量是65536，一個C類網絡的地址數量是256。?D類地址用作多播地址，?E類地址保留未用。

? ? ? ? 網絡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，網絡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，多個子網就可以匯總（summarize）成一個Internet上的網絡，例如，有8個站點都申請了C類網絡，本來網絡號是24位的，但是這8個站點通過同一個ISP（Internet?serviceprovider）連到Internet上，它們網絡號的高21位是相同的，只有低三位不同，這8個站點就可以匯總，在Internet上只需要一個路由表項，數據包通過Internet上的路由器到達ISP，然后在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絡號，主機號從全0到全1就是子網的地址范圍。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局域網，?IP地址只用于局域網內的通信，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規定了用于組建局域網的私有IP地址，這些地址不會出現在Internet上，如下表所示。

10.*，前8位是網絡號，共16,777,216個地址

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

192.168.*，前16位是網絡號，共65,536個地址

? ? ? ? 127.*的IP地址用于本機環回(loop?back)測試，通常是127.0.0.1。loopback是系統中一種特殊的網絡設備，如果發送數據包的目的地址是環回地址，或者與本機其它網絡設備的IP地址相同，則數據包不會發送到網絡介質上，而是通過環回設備再發回給上層協議和應用程序，主要用于測試。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux C高级编程——网络编程之以太网（2）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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