【 TCP/IP 】以太网(RFC 894)帧格式、 ARP数据报格式、 IP数据报格式

傷城~ 2022-05-30 09:50 462阅读 0赞

### 以太网(RFC 894)帧格式 ###

以太网的帧格式如下所示：

![20180309143359730][]

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）。ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧首部的长度。

###  ARP数据报格式 ###

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，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。

每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。想一想，为什么表项要有过期时间而不是一直有效？

ARP数据报的格式如下所示

![20180309143823877][]

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节），op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

下面举一个具体的例子。  
请求帧如下（为了清晰在每行的前面加了字节计数，每行16个字节）：  
以太网首部（14字节）  
0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06  
ARP帧（28字节）  
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 02  
18  
679  
填充位（ 字节）  
0020: 00 77 31 d2 50 10  
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00  
以太网首部：目的主机采用广播地址，源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上层协议类  
型0x0806表示ARP。  
ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC地址）长度  
为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址，源主机MAC地址  
为00:05:5d:61:58:a8，源主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主机MAC地址全0待填  
写，目的主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2）。  
由于以太网规定最小数据长度为46字节，ARP帧长度只有28字节，因此有18字节填充位，填充位  
的内容没有定义，与具体实现相关。  
应答帧如下：  
以太网首部  
0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06  
ARP帧  
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 10  
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00  
以太网首部：目的主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主机的MAC地址  
是00:05:5d:a1:b8:40，上层协议类型0x0806表示ARP。  
ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC地址）长度  
为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0002表示应答，源主机MAC地址  
为00:05:5d:a1:b8:40，源主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2），目的主机MAC地址

为00:05:5d:61:58:a8，目的主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55）。

如果源主机和目的主机不在同一网段，ARP请求的广播帧无法穿过路由器，源主机如何与目的主机通信？

###  IP数据报格式 ###

IP数据报的格式如下（这里只讨论IPv4）

![20180309144218530][]

IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的，但总是4字节的整数倍。对于IPv4，4位版本字段是4。4位首部长度的数值是以4字节为单位的，最小值为5，也就是说首部长度最小是4x5=20字节，也就是不带任何选项的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是说首部长度最大是60字节。8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级（目前已经废弃不用），还有4个位表示可选  
的服务类型（最小延迟、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），还有一个位总是0。总长度是整个数据报（包括IP首部和IP层payload）的字节数。每传一个IP数据报，16位的标识加1，可用于分片和重新组装数据报。3位标志和13位片偏移用于分片。TTL（Time to live)是这样用的：源主机为数据包设定一个生存时间，比如64，每过一个路由器就把该值减1，如果减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络，就丢弃该包，因此这个生存时间的单位不是秒，而是跳（hop）。协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。然后是校验和，只校验IP首部，数据的校验由更高层协议负责。IPv4的IP地址长度为32位。  
前面讲了以太网帧中的最小数据长度为46字节，不足46字节的要用填充字节补上，那么如何界定这46字节里前多少个字节是IP、ARP或RARP数据报而后面是填充字节？

[20180309143359730]: /images/20220530/728d8615c2a546729241dd44a30590ad.png
[20180309143823877]: /images/20220530/2ba46d2b8cce4bc58883b3ed184ae6ea.png
[20180309144218530]: /images/20220530/27cefeeddfa34e88bc05fbd7e0583f5f.png