一、以太网中数据帧结构
 
以太网是目前最流行的一种局域网组网技术（其他常见局域网组网技术还有令牌环局域网、无线局域网、ATM局域网），以太网技术的正式标准是IEEE 802.3标准，它规定了在以太网中传输的数据帧结构，如下图所示。
 
              
 
在物理层上看，一个完整的以太网帧有7个字段，事实上，前两个字段并不能算是真正意义上的以太网数据帧，它们是以太网在物理层上发送以太网数据时添加上去的。为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用7个字节前同步码（0和1交替的56位（55-55-55-55-55-55-55））实现物理层帧输入/输出同步；使用1个字节的SFD（帧首定界符，固定为10101011）标识帧的开始。上图中剩下的5个字段是真正的以太网数据，其中包含了目的地址和源地址，它们都是6字节长度（通常每个网卡都有1个6个字节MAC地址，以在以太网中唯一地标识自己）。网卡接收数据时，通过将目的地址字段和自身的MAC地址做比较，判断是否接收该数据包。通常，将这里的6字节目的地址按照下面的格式来书写，如：00-01-02-03-04-05。这6个字节在以太网中是按照从左到右的顺序发送的，同时对每个字节来说，最先发送的是最低位bit0，最后是最高位bit7。
 
      在以太网帧中，目的地址可以分为三类：单播地址、多播地址和广播地址。单播地址通常与一个具体网卡的MAC地址相对应，它要求第一个字节的bit0（即最先发出去的位）必须是0；多播地址则要求第一个字节的bit0为1，这样，在网络中多播地址不会与任何网卡的MAC相同，多播数据可以被很多个网卡同时接收；广播地址的所有48位全为1（即FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一局域网中的所有网卡可以接收广播数据包。
 
上图中的长度/类型具有两个意义，当这两个字节的值小雨1518时，那么它就代表其后数据字段的长度；如果这两个字节的值大于1518，则表示该以太网帧中的数据属于哪个上层协议（例如0x800，代表IP数据包；0x806，代表ARP数据包等。）
 
在使用网卡进行数据包的发送与接收时，网卡已为我们完成了物理层的所有工作，驱动程序要做的是，在发送数据时，将目的地址、源地址、类型/长度、数据和填充这些值写入网卡，网卡自动计算其CRC并添加在数据帧尾部，同时对数据帧进行物理层的封装，最后将数据帧发送出去；在接收数据时，网卡会自动检测并接收数据包，验证校验和并把上述四个字段的值放在内部SRAM中供控制器读取。
 
TCP/IP协议有自己的地址：32bit的IP地址（网络地址），网络层发送数据包时只知道目的地址的IP地址，而底层接口（如以太网驱动程序）必须知道对方的硬件地址才能将数据发送出去。
 
二、ARP协议
 
ARP的功能是在32bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射，为上层将底层的物理地址差异屏蔽起来，这样上层的因特网协议就可以灵活地使用IP地址进行通信了。ARP协议的基本功能是使用目标主机的IP地址，查询其对应的MAC地址，以保证底层链路上数据包通信的进行。为了实现在网络接口物理地址与IP地址间的转换，ARP协议中引入了ARP缓存表的概念。ARP缓存表中记录了一条一条的<IP地址，MAC地址>对，他们是主机最近运行获得的关于周围其他主机的IP地址到物理地址的绑定，当需要发送IP数据包时，ARP层根据目的IP地址来查找ARP缓存表，并将匹配的MAC地址装入以太网帧首部，最后发送以太网数据。
 
ARP缓存表的建立与ARP数据包是密切相关的。在以太网中，ARP数据包和IP数据包是两个独立的部分，它们都封装在以太网帧中发送。ARP数据包的种类有两种：一是ARP请求包，它是通过以太网广播的方式发送的，用于向具有某个IP地址的主机发送请求，希望该主机返回其MAC地址；二是ARP应答包，收到ARP请求的主机会比对该数据包中的IP地址与自己的IP地址是否符合，若是，则该主机向源主机返回一个ARP应答包。向源主机报告自己的MAC地址。源主机通过提取ARP应答包中的相关字段来更新ARP缓存表。在Windows控制台上输入arp -a，可以查看操作系统中使用的ARP缓存表。
 
举一个简单的例子来看看ARP的功能。假如我们的主机（192.168.1.11）需要向开发板（192.168.1.37）发送一个IP数据包，当发送数据时，主机会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了，也就知道了目标MAC地址为（04-02-35-00-00-01），此时，主机直接把目标MAC地址写入以太网首部发送就可以了；如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址，此时比较不幸，我们的数据需要被延迟发送，随后主机会先在网络上发送一个广播（ARP请求，以太网目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF），广播的ARP请求表示同一网段内所有主机将会收到这样一条信息：“192.168.1.37的MAC地址是什么？请回答”。网络IP地址为192.168.1.37（开发板）的主机接收到这个帧后，它有义务做出这样的回答（ARP应答）：“192.168.1.37的MAC地址是（04-02-35-00-00-01）”。这样，主机就知道了开发板的MAC地址，先前被延时的数据包就可以被发送了，此外，主机将这个地址对保存在缓存表中，以便后续数据包发送时使用。
 
ARP协议的核心就是对ARP缓存表的操作。发送数据包时，查找缓存表以得到目的MAC地址，此外，ARP还需要不断地处理ARP请求包和ARP应答包，以保证缓存表中各个表项的有效性。ARP的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。
 
2.2 ARP报文
 
要在源主机上建立关于目标主机的IP地址与MAC地址对应表项，则源主机和目的主机的基本信息交互式必须的，简单地说就是，源主机如何告诉目的主机：我需要你的MAC地址；而目的主机如何回复：这就是我的MAC地址。这时ARP报文（ARP数据包）就派上用场了。
 
ARP请求和ARP应答都是被组装在一个ARP数据包中发送的，ARP包的组成结构如下图所示。需要注意的是：ARP包时被封装在以太网帧中发送的，所以在图中也列出了以太网帧头部。
 
      以太网帧头部中的前两个字段是以太网的MAC地址和源MAC地址，目的地址为全1的特殊地址是以太网广播地址。在ARP表项建立前，源主机只知道目的主机的IP地址，并不知道其MAC地址，所以在数据链路上，源主机只有通过广播的方式将ARP请求数据包发送出去，同一网段上的所有以太网接口都会接收到广播的数据包。
 
       两个字节长的以太网帧类型表示帧中数据的类型。对于ARP包来说，该字段值为0x0806；对IP包来说，该字段的值为0x0800。接下来就是ARP数据包部分了，第一个硬件类型字段表示发送方想要知道的硬件接口类型，对于以太网MAC地址，它的值为1.协议类型字段表示要映射的协议地址类型，它的值为0x0800时，即表示要映射为IP地址，该值与以太网数据帧头中的类型字段的值使用相同的一组值。
 
接下来的两个单字节长度的字段，称为硬件地址长度和协议地址长度，它们分别指出硬件地址和协议地址的长度，长度单位为字节。对于以太网上ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4，代表MAC地址的长度和IP地址的长度。在ARP协议包中流出硬件地址长度和协议地址长度字段可以使得ARP协议在任何网络中被使用，而不仅仅只在以太网中。
 
      操作字段op指出ARP数据包的类型，它们可以使ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）。
 
      接下来的四个字段是发送端的以太网MAC地址、发送端的IP地址、目的端的以太网MAC地址和目的端的IP地址。
 
 
 
 
 
 

使用ifconfig命令查看自己的广播地址：
 
wlp3s0b1  Link encap:以太网  硬件地址  
          inet 地址:192.168.1.102  广播:192.168.1.255  掩码:255.255.255.0
         
         
 
可以看到主机的广播地址是１９２．１６８．１．２５５
 
编写UDP服务器程序：
 
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <arpa/inet.h>

int sockfd;

void sig_handler(int signo);

int main(int argc, char * argv[])
{
    if(argc < 2)
    {
        printf("usage: %s port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    if(signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR)    //开始捕获信号 SIGINT 
    {
        perror("signal sigint error!");
        exit(1);
    }
    /*步骤1： 创建socket*/
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("socket error!");
        exit(1);
    }
  
    /*步骤2： 调用bind函数对socket和地址进行绑定*/
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr, 0, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); //port
    serveraddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //ip匹配所有的ip
    if(bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) < 0)
    {
        perror("bind error!");
        exit(1);
    }
 
    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr);
    char buffer[1024];
    while(1)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        memset(&clientaddr, 0, sizeof(clientaddr));

        if(recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len) < 0)
        {
            perror("recvfrom error!");
            exit(1);
        }
        else
        {
            char ip[16];
            inet_ntop(AF_INET, &clientaddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip));
            int port = ntohs(clientaddr.sin_port);
            printf("%s(%d): %s\n", ip, port, buffer);
        }

        
    }    






}



void sig_handler(int signo)
{
    if(signo == SIGINT)
    {
        printf("receiver clolse!\n");;
        close(sockfd);
        exit(1);
    }
}













 
编写UDP广播程序：
 
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <arpa/inet.h>

int sockfd;

void sig_handler(int signo);

int main(int argc, char * argv[])
{
    if(argc < 3)
    {
        printf("usage: %s port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    if(signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR)    //开始捕获信号 SIGINT 
    {
        perror("signal sigint error!");
        exit(1);
    }
    /*步骤1： 创建socket*/
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        perror("socket error!");
        exit(1);
    }
    int opt = 1;
    
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &opt, sizeof(opt));


    /*步骤2： 调用bind函数对socket和地址进行绑定*/
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr, 0, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); //port
    inet_ntop(AF_INET,  (struct sockaddr*)&serveraddr.sin_addr.s_addr,argv[1], sizeof(argv[1]));
    printf("I will broadcast...\n");

    char *info = "hello Andrew";

    size_t size = strlen(info) * sizeof(char);
    if(sendto(sockfd, info, size, 0, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) < 0)
    {
        perror("sendto error!");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("broadcastn success!\n");
    }


}



void sig_handler(int signo)
{
    if(signo == SIGINT)
    {
        printf("receiver clolse!\n");;
        close(sockfd);
        exit(1);
    }
}













 
测试：
 
运行服务器：
 
andrew@andrew-Thurley:~/work/network$ bin/receiver 8888
127.0.0.1(35423): hello Andrew
127.0.0.1(43304): hello Andrew
127.0.0.1(58134): hello Andrew
127.0.0.1(53262): hello Andrew
127.0.0.1(35285): hello Andrew
127.0.0.1(58630): hello Andrew
127.0.0.1(41278): hello Andrew
127.0.0.1(39032): hello Andrew
127.0.0.1(55642): hello Andrew
127.0.0.1(44132): hello Andrew
127.0.0.1(35112): hello Andrew

 
运行客户端：
 
andrew@andrew-Thurley:~/work/network$ bin/broadcast 192.168.1.255
usage: bin/broadcast port
andrew@andrew-Thurley:~/work/network$ bin/broadcast 192.168.1.255 8888
I will broadcast...
broadcastn success!
andrew@andrew-Thurley:~/work/network$ bin/broadcast 192.168.1.255 8888
I will broadcast...
broadcastn success!
andrew@andrew-Thurley:~/work/network$ bin/broadcast 192.168.1.255 8888
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

以太网帧格式如下：
  

  802.3 以太网帧结构
 
 前导码
 帧开始符
 MAC 目标地址
 MAC 源地址
 802.1Q 标签 (可选)
 以太类型或长度
 负载
 冗余校验
 帧间距
10101010 7个octet
10101011 1个octet
6 octets
6 octets
(4 octets)
2 octets
46–1500 octets
4 octets
12 octets
 
 64–1522 octets
 
 72–1530 octets
 
 84–1542 octets
 
 
 1、前导码和帧开始符：

 一个帧以7个字节的前导码和1个字节的帧开始符作为帧的开始。快速以太网之前，在线路上帧的这部分的位模式是10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011。由于在传输一个字节时最不重要的位最先传输(即低位最先传输)，因此其相应的16进制表示为0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0xD5。

 10/100M 网卡(MII PHY)一次传输4位(一个半字)。因此前导符会成为7组0x5+0x5,而帧开始符成为0x5+0xD。1000M网卡(GMII)一次传输8位，而10Gbit/s(XGMII) PHY芯片一次传输32位。 注意当以octet描述时，先传输7个01010101然后传输11010101。由于8位数据的低4位先发送，所以先发送帧开始符的0101，之后发送1101。

 
 
2、目的地址：6字节
 
 3、源地址：6字节
 
 4、类型/长度：2字节，0～1500保留为长度域值，1536～65535保留为类型域值(0x0600～0xFFFF)
 
 5、数据：46～1500字节
 
 6、帧校验序列(FCS)：4字节，使用CRC计算从目的MAC到数据域这部分内容而得到的校验和。
 
 
 
 
     当数据帧到达网卡时，在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和错，就丢弃此帧。如果校验和正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件（目的地址是自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址等），如果符合，就将帧交"设备驱动程序"做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据。
 
 
 
 
 
     以太网规定，以太网帧数据域部分最小为46字节，以太网帧最小是6＋6＋2＋46＋4＝64。
 

 

在广域网中，针对用户连接ISP进行上网时，使用点对点的链路，用到的协议就是PPP点对点协议。
 
在局域网中，针对使用总线和Hub形成的局域网，则使用的是广播信道，在数据链路层使用的协议是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）
 
接下来针对局域网做重点分析：
 
局域网的特点
 
网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
 
局域网具有的一些优点
 
具有广播功能，可以从一个站点很方便地访问全网，局域网的主机可共享连接在局域网上的各种硬件资源和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐的演变
提高了系统的可靠性、可用性和生存性
 
局域网按网络拓扑进行分类：
 
 
图中的总线网两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。
 
为了能够使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源，所以需要考虑共享信道的问题。
 
在技术上有两种实现方法:
 
静态划分信道
 
  
频分复用
时分复用
波分复用
码分复用
动态媒体接入控制（多点接入）
 
  
随机接入：用户可随机发送信息，但是如果多个用户在同一时刻发送信息，那么再共享媒体上就要产生碰撞（冲突），似的这些用户都发送失败，所以必须要有解决碰撞的网络协议。
受控接入：用户不能随意发送信息，必须服从一定的控制，比如有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询（轮询）
 
采用静态划分信道可以解决问题，用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但是这种划分信道的方法代价高，不适合局域网使用
 
对于不同速率以太网的一般叫法：
 
传统以太网：10Mb/s速率的以太网
快速以太网：100Mb/s速率的以太网
吉比特以太网：1Gb/s速率的以太网
10吉比特以太网：10Gb/s速率的以太网
 
以太网的两个标准
 
DIX Ethernet V2 标准
IEEE 802.3 标准
 
以太网的起源
 
以太网是施乐公司于1975年研制成功的。那时，以太网是一种基带总线局域网，当时的数据率为2.94Mb/s。以无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太来命名。1976年7月，Mercalfe和Boggs发表了他们的以太网里程碑论文。1980年9月，DEC公司和英特尔公司还有施乐公司联合提出了以太网规约的第一版 DIX V1，后来经过1982年的修改成了一直沿用至今的 DIX Ethernet V2 标准。（DIX为三家公司名称的首字母缩写)
 
在此基础上，IEEE 802委员会的802.3工作组于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准。即，IEEE 802.3 标准，速率为10Mb/s。
 
由于有关厂商在商业上的竞争，IEEE 802委员会未能形成统一的最佳局域网标准，所以被迫指定了几个不同的局域网标准，比如802.4令牌总线网，802.5令牌环网等。为了使数据链路层适应比较多的局域网标准，IEEE 802委员会就把局域网的数据链路层拆成了两个子层，即逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层。
 
与接入到传输媒体（传输线）有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输没图无关，不管采用何种传输媒体，MAC子层相对于LLC子层来说都是透明的。
 
到了20世纪90年代后，竞争激烈的局域网市场逐渐明朗，以太网在局域网市场中获得了垄断地位，并且由于Internet的快速发展而TCP/IP系统经常使用 DIX Ethernet V2 标准的局域网，所以现在基于IEEE 802.3的局域网已经基本消失了。所以LLC协议基本失去作用，很多厂商的适配器上只装有MAC协议。
 
适配器
 
计算机与外界局域网是通过通信适配器来进行连接的。这个适配器就是我们常说的网络接口卡（NIC）即网卡。适配器和局域网之间通信是通过电缆或者双绞线一串行方式进行的，适配器和计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。所以网卡一个重要功能就是进行数据串行传输和并行传输的转换。
 
适配器在接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU，当网卡收到错误的帧时，直接丢掉，当收到正确的帧时，通过中断方式告诉CPU并将数据交付网络层。
 
注：计算机的硬件地址（MAC地址）就在网卡中，而计算机的逻辑地址——IP地址，则在计算机的存储器中。