Linux 网络：数据链路层详解

• 单播 MAC 地址：
  • 第 1 字节的第 2 个最低有效位（LSB）为 0
  • 示例：00:1A:2B:3C:4D:5E --> 00 的二进制是 00000000（第 2 位为 0，单播）
• 组播 MAC 地址：
  • 第 1 字节的第 2 个最低有效位（LSB）为 1
  • 示例：01:00:5E:00:00:01 --> 01 的二进制是 00000001（第 2 位为 1，组播）
• 广播 MAC 地址：
  • 特殊组播地址，固定为 FF:FF:FF:FF:FF:FF（全 1）

1.3.3 MAC 地址 VS IP 地址

相信大家都看过西游记，唐僧一群人每到达一个国家都会跟国王说自己的终极目标，从东土大唐来去西天取经，然后说自己的当前目标，从哪里到当前国家的，最后问想要去西天，下一个国家应该去哪。

在这里我们就看出来了，最终目标一直都没变，而当前目标一直在变。这里的终极目标就代表着 IP 地址，当前目标就代表着 MAC 地址，在发送信息时，报文的 IP 地址是一直不变的（实际上私有网络访问公网网络时，IP 是可能会变化的），而 MAC 地址需要一直改变。

1.4 局域网如何通信

下面是一个局域网的情况，由于这里已经明确是局域网通信，所以就没有画路由器。

首先，主机 A 想向主机 D 发送数据，主机 A 中会存在一个路由表，并且一个局域网中有一个网络号，主机 A 将主机 D 的 IP 地址与子网掩码进行按位与，确认主机 A 和主机 D 在同一个局域网。

然后主机 A 将数据通过网络协议栈封装后，将数据帧发送到局域网中。

一个主机在局域网中发送数据帧，在这个局域网中的所有主机都可以收到。

最后，局域网中的其他主机收到数据帧后，主机会通过读取数据帧中的目的 MAC 地址，会分为两种情况

1. 发现数据帧不是发生给该主机的，该主机会将数据帧丢弃

发现数据帧是发生给该主机的，该主机会将数据帧解包，将有效载荷向上交付

1.5 局域网数据碰撞

1.5.1 数据碰撞

1. 在局域网中，任何时刻，只允许一台主机向局域网中发送数据
2. 如果同时有多台主机向局域网发送数据，则会发生局域网数据碰撞问题
3. 这里就会涉及到碰撞检测和碰撞避免的问题

结合上面三条，从系统角度上来看，局域网非常像多台主机的临界资源。

1.5.2 划分碰撞域（交换机）

相信大家都经历过，当没多少人使用网络的时候，网速很快，当有很多人使用网络的时候，网络很慢，这就是同一时间有很多主机在局域网中发送数据，导致局域网碰撞导致的。

为了解决这个问题，这里就要引入交换机，用来划分局域网的碰撞域。

以下是数据传输流程：

1. 主机发送数据帧：
   • 主机 A 准备发送数据给主机 B，封装数据帧，将数据帧发送出去
2. 数据帧到达交换机：
   • 交换机在某个端口收到该帧（一个交换机有多个端口），先存储到缓冲区
   • 交换机解析帧头中的目标 MAC 地址
3. 交换机的转发决策：
   • 查 MAC 地址表：
     • 若目标 MAC 存在于表中 --> 帧仅转发到对应端口（单播）
     • 若目标 MAC 为广播（FF:FF:FF:FF:FF:FF）或未知 --> 转发到所有端口（除接收端口外，单主机对应单端口的情况）
   • 更新 MAC 地址表：记录源 MAC 与接收端口的映射
4. 帧到达目标设备：
   • 交换机将帧从特定端口发出，最终被目标主机 B 接收

常规情况下，一个主机对应一个交换机的一个端口，每个端口对应着一个独立通信信道。以下图为例，局域网中有四台主机和一个交换机，也就是说主机 A、B、C、D 各自对应交换机的一个端口，主机 A 向主机 C 发送数据的时候，交换机仅将数据转发给主机 C，主机 B 和 D 不会收到该数据，做到了交换机的每个端口是一个独立的碰撞域

还有一种情况，通过二级交换机扩展，可以将多台主机逻辑连接到上级交换机的同一端口，但每台主机仍实际占用下级交换机的一个独立端口。当主机 A 向主机 C 发送数据时，下级交换机仅将数据转发给主机 C，主机 B 和 D 不会收到该数据，从而在物理层面隔离了碰撞域。

二、ARP 协议

ARP 不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。

2.1 ARP 协议的作用

在 1.4 中讲解局域网是如何通信的时候，不知道大家有没有注意到一个问题，就是主机 A 知道主机 D 的 IP 地址，但是主机 A 并不知道主机 D 的 MAC 地址，那么数据帧中的目的 MAC 地址就无法填写，也无法封装数据帧了。

为了解决这个问题，就要引入 ARP 协议了。

ARP 协议是用于建立主机 IP 地址 和 MAC 地址 的映射关系.

• 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的 IP 地址和端口号，但不知道目的主机的 MAC 地址
• 数据帧被主机收到后，如果数据帧的 MAC 地址与本机不符，就会被主机直接丢弃
• 因此在通讯前必须获得目的主机的 MAC 地址

2.2 ARP 数据报的格式

• 硬件类型：链路层网络类型，1 为以太网
• 协议类型：要转换的地址类型，0x0800 为 IP 地址
• 硬件地址长度：对于以太网地址为 6 字节
• 协议地址长度：对于和 IP 地址为 4 字节

op 字段：为 1 表示 ARP 请求，为 2 表示 ARP 应答

2.3 ARP 协议的工作流程

下面是一个局域网的情况，由于这里已经明确是局域网通信，所以就没有画路由器。

主机 A 想向主机 D 发送数据，主机 A 中会存在一个路由表，并且一个局域网中有一个网络号，主机 A 将主机 D 的 IP 地址与子网掩码进行按位与，确认主机 A 和主机 D 在同一个局域网。

主机 A 想向主机 D 发送数据，但是主机 A 只知道主机 D 的 IP 地址，并不知道主机 D 的 MAC 地址，所以主机 A 就会通过 ARP 协议来获取主机 D 的 MAC 地址。

主机 A 会先构建一个 ARP 请求报文，然后为报文封装以太网首部和尾部成为数据帧，最后再将数据帧发送到局域网中。

一个主机在局域网中发送数据帧，在这个局域网中的所有主机都可以收到。

最后，局域网中的其他主机收到数据帧后，主机通过读取数据帧中的目的 MAC 地址，发现是广播地址，然后会将数据帧解包，将有效载荷（ARP 请求报文）向上交付，这里会分为两种情况

1. 发现 ARP 请求报文中的目的 IP 地址与该主机的 IP 地址不匹配，该主机会将 ARP 请求报文丢弃
2. 发现 ARP 请求报文中的目的 IP 地址与该主机的 IP 地址匹配，该主机则会向主机 A 发送 ARP 应答报文，将自己的 MAC 地址发送给主机 A

这里主机 B 和主机 C 收到数据帧后，会将 ARP 请求报文丢弃，而主机 D 会向主机 A 发送 ARP 响应报文。

主机 D 向主机 A 发送 ARP 响应报文，首先需要构建一个 ARP 响应报文，然后为报文封装以太网首部和尾部成为数据帧，最后再将数据帧发送到局域网中。

当主机 D 将数据帧发送到局域网中，在这个局域网中的所有主机都可以收到这个数据帧。

局域网中的其他主机收到数据帧后，主机会通过读取数据帧中的目的 MAC 地址，会分为两种情况

1. 发现数据帧不是发生给该主机的，该主机会将数据帧丢弃
2. 发现数据帧是发生给该主机的，该主机会将数据帧解包，发现帧类型为 0806，将有效载荷向上交付给 ARP 协议，ARP 报文中 op 为 2，则报文为 ARP 应答报文，该主机会匹配本地 ARP 请求记录，匹配成功则更新 ARP 缓存，匹配失败，则将 ARP 应答报文丢弃

这里主机 A 会更新 ARP 缓存，主机 B 和主机 C 会将数据帧丢弃。

当主机 A 更新 ARP 缓存后，主机 A 就知道了主机 D 的 MAC 地址，主机 A 就可以正常的向主机 D 发送数据了。

2.4 ARP 协议的特性

1. ARP 缓存中的每个动态条目都有一个关联的 TTL 计时器，用于标记该条目的有效存活时间，在存活时间内，主机再次得到对应主机发送的合法的ARP 应答（数据报文不可以），就会刷新该条目的 TTL 计时器（不同系统，时间不同）
2. 主机可以同时处理请求与应答，也就说明主机既可以收到 ARP 请求，也可以收到 ARP 应答
3. 主机收到最新应答会 覆盖 ARP 缓存中对应条目的历史记录，也就是说明，如果主机在收到同一台主机发送的 ARP 应答，会将最新 ARP 应答记录下来

2.5 如何成为中间人（连接热点）

成为中间人的方式有很多种，这里我以用户连接热点，让开热点的主机（攻击者）成为中间人：

1. 用户连接热点
   • 攻击者开启热点，用户主动连接
2. 用户发送 ARP 请求
   • 用户首次访问网络时，广播 ARP 请求解析网关 MAC
3. 攻击者劫持 ARP 请求
   • 无需修改请求：攻击者直接抢先回复伪造 ARP 应答
   • 结果：用户 ARP 缓存中，网关 IP 映射到攻击者 MAC
4. 流量重定向
   • 用户所有流量发往攻击者 MAC --> 攻击者转发给真实网关
   • 攻击者可在转发过程中：
     • 窃听：抓包工具捕获明文数据
     • 篡改：修改 HTTP 响应
     • SSL 剥离：将 HTTPS 降级为 HTTP