計算機網絡中的MAC幀

一.數據鏈路層

  數據鏈路層實現的是相鄰結點之間的邏輯鏈接，其使用的協議單元為數據幀。在兩個結點之間傳送數據時，數據鏈路層將網絡層交下來的IP數據報組裝成幀，在兩個相鄰節點間的鏈路上傳送幀。

   數據鏈路層的三個基本問題：

         1.封裝成幀，2.透明傳輸，3.差錯檢測

下來討論一下封裝成幀 ：

   封裝成幀就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀。網絡層的IP數據報傳送到數據鏈路層就成為了幀的數據部分，在幀的數據部分前后分別加上頭部和尾部就構成了一個完整的幀。

二.以太網的MAC層

   1.MAC 層的硬件地址

       在局域網中，硬件地址又稱為物理地址或者MAC 地址。長度是48位,是在網卡出廠

時固化的。在LINUX 下用ifconfig命令看一下,“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。在生產適配器時，這6字節MAC地址已被固化在適配器的ROM中。因此實際上就是適配器地址或適配器標識符。

   2.MAC幀的格式

其中目的地址和源地址就是MAC地址，幀協議類型字段有三種值,分別對應IP、ARP(地址解析)、RARP(逆地址解析)。幀末尾是CRC校驗碼。

 以太網幀中的數據長度規定最小46字節,最大1500字節,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)。LINUX下的ifconfig命令的輸出中也有“MTU:1500”。注意,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。

3.ARP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,在LINUX下可以用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數據報幀格式如下圖所示：

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。

下面舉一個具體的例子：

 主機1向主機2發送ARP請求：

 主機2向主機1ARP應答：