Ethernet, MAC und ARP

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Die wichtigsten Befehle zum Merken

  • ip link — Netzwerkschnittstellen und ihre MAC-Adressen untersuchen.
  • ip -4 neigh — IPv4-Nachbarn und ihre Link-Layer-Adressen untersuchen.

Befehle und Optionen

Diese Befehle kommen im kurzen Beispiel unten vor.

Befehl Bedeutung
ip -br link show Schnittstellen, Link-Zustände und Link-Layer-Adressen anzeigen. -br wählt eine kurze Darstellung.
ip -4 neigh show Die IPv4-Nachbartabelle anzeigen. -4 wählt IPv4; neigh steht für Neighbor.

Beide Befehle lesen vorhandenen Zustand. Sie ändern keine Schnittstellen, leeren keinen Cache und erzeugen keinen Testaustausch.

Die entscheidenden Konzepte

1. Ethernet liefert Frames im lokalen Netzwerk

Ein IP-Paket transportiert Verkehr zu einem IP-Ziel. Auf einer Ethernet-Verbindung reist es innerhalb eines Ethernet-Frames, der eigene Quell- und Zieladressen besitzt.

Denke an zwei Fragen: IP identifiziert das Ziel über Netzwerke hinweg; Ethernet liefert den Frame zur nächsten Schnittstelle im lokalen Netzwerk. Dieses lokale Netzwerk kann auch Switches enthalten, nicht nur ein Kabel.

Eine Ethernet-MAC-Adresse ist normalerweise 48 Bit lang und wird als sechs hexadezimale Paare geschrieben, etwa 02:42:ac:11:00:02. Ein Frame verwendet MAC-Adressen für die lokale Zustellung. Ein Switch lernt Quell-MAC-Adressen, um Frames gezielt weiterzuleiten.

Eine MAC-Adresse ist weder eine IP-Adresse noch eine dauerhafte Identität des ganzen Computers. Eine Maschine kann mehrere Schnittstellen haben; MAC-Adressen können konfiguriert oder zufällig gewählt werden.

Router leiten IP-Pakete zwischen Netzwerken weiter. Beim Weiterleiten auf eine andere Ethernet-Verbindung verwenden sie dafür einen neuen Ethernet-Header. Die ursprüngliche Client-MAC reist nicht als Ethernet-Quelle bis zu einer entfernten Website mit.

3. ARP findet die MAC-Adresse des nächsten Hops

ARP (Address Resolution Protocol) löst eine IPv4-Adresse im lokalen Netzwerk in eine Link-Layer-Adresse auf.

Bei der ersten Auflösung über Ethernet sendet ein Host normalerweise eine Broadcast-Anfrage: „Wer hat diese IPv4-Adresse?“ Der Besitzer antwortet mit seiner MAC-Adresse. Damit kann Linux den ausgehenden Frame adressieren. Die Ethernet-Broadcast-Adresse lautet ff:ff:ff:ff:ff:ff.

Nach welcher IPv4-Adresse wird gefragt? Das bestimmt die Route. Bei einem direkt erreichbaren Ziel wird dessen Adresse aufgelöst. Bei einem entfernten Ziel über einen Router wird die lokale Routeradresse aufgelöst. Das IP-Paket nennt weiterhin das entfernte Ziel, der Frame dagegen den lokalen nächsten Hop.

ARP findet keine Server-MAC über Router hinweg und löst keine Website-Namen auf. Namensauflösung ist eine andere Aufgabe.

4. Die Nachbartabelle ist ein Cache, kein Anwendungstest

Linux speichert gelernte Zuordnungen in seiner Nachbartabelle, damit nicht jedes Paket einen neuen ARP-Austausch benötigt.

  • REACHABLE: Die Erreichbarkeit des Nachbarn wurde kürzlich bestätigt.
  • STALE: Die Zuordnung ist bekannt, die Erreichbarkeit muss bei Verwendung erneut bestätigt werden. Das bedeutet nicht automatisch einen Fehler.
  • INCOMPLETE / FAILED: Die Auflösung läuft noch oder ist fehlgeschlagen.

Eine gültige Zuordnung unterstützt die lokale Zustellung. Sie beweist weder einen funktionierenden entfernten Pfad noch eine antwortende Anwendung.

Ein kleines Beispiel

Optional: Führe diese Befehle in einem Linux-Terminal mit installiertem iproute2 aus. Administratorrechte sind nicht erforderlich:

ip -br link show
ip -4 neigh show

Suche in der ersten Ausgabe eine Ethernet-Schnittstelle und ihre MAC-Adresse. lo ist Loopback, kein Ethernet-Nachbar. Namen und Adressen variieren. Virtuelle Schnittstellen können Zustände wie UNKNOWN melden; der Zustand allein prüft keine durchgehende Verbindung.

Lies in der Nachbartabelle die IPv4-Adresse, dev (lokale Schnittstelle), lladdr (Link-Layer-Adresse des Nachbarn) und den Zustand. Die Nachbar-MAC gehört zum nächsten Hop; der erste Befehl zeigt die Adressen deiner eigenen Schnittstellen. Während der Auflösung kann lladdr noch fehlen.

Eine leere Tabelle ist gültig, wenn gerade keine IPv4-Nachbarn gespeichert sind. Das Beispiel liest den Cache. Es zeichnet keine ARP-Anfrage auf und beweist keinen gerade erfolgten Austausch. Aufräumen ist nicht erforderlich.

Merke dir: Routing wählt den nächsten Hop, ARP findet dessen lokale MAC-Adresse und Ethernet liefert den Frame dorthin.