总结数据链路层

上一篇文章说到：网络层实现的是直至目的地址（主机A到主机B）的通信，而具体的实现某一个跳转的通信，是由数据链路层实现的，如图：

具体附链接：
https://blog.csdn.net/han8040laixin/article/details/81354588

数据链路层的作用：用于两个设备（同一种数据链路节点）之间进行传递。

一：简单了解以太网
以太网不是一种具体的网络，而是一种技术标准；
以太网是一种应用于数据链路层，同时包含物理传输线路和数据报文格式两方面的一个标准，比如规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等。

二：以太网帧格式

是定长报头来分离报头和有效载荷。

目的地址：指这个报文即将发往的下个主机的网卡地址；
源地址：指本机的网卡地址。

这个网卡地址就是MAC地址，通常是一个6字节48位，用来标示数据链路层中相连的节点；是在出厂时已经固化，是惟一的。
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类型：交付给上层的哪个协议，用于分用。

数据：包括应用层头部+传输层头部+网络层头部+有效载荷，最少得有46字节，不得超过1500字节。不够46字节，要在后面补填充位；如果大于1500字节，就需要提前在网络层分片，这个具体在后文详细说。

CRC：检验码。

帧协议类型字段有三种值，分别对应IP，ARP，RARP。

三：MTU（以太网的最大传输单元）

MTU相当于快递包裹的尺寸限制，这个限制是不同的数据链路对应的物理层产生的限制；
以太网帧中数据长度最小为46字节，最大为1500字节；不够46字节，要在后面补填充位；如果大于1500字节，就需要网络层分片；
这个最大值1500就称为以外网的MTU（最大传输单元）；
不同的数据链路层标准的MTU是不同的。

MTU对网络层IP协议的影响
因为数据链路层的MTU限制，所以对于较大的IP数据报要进行分片，这牵扯到IP协议的16位标识（id），3位标志位，13位片偏移量：
将一个较大的IP数据包分成多个小包，通过16位标识，经过分片的报文主机标识是一样的；
每个小包的IP协议报头有三位标志位，第二位为0表示允许分片，第三位相当于结束标记，最后一个分片置为1，其他为0；
到达对端时，会根据分片相对于原始报文开始处的偏移量，按偏移量进行排序组装。

MTU对传输层的影响
①对UDP的影响
由于MTU的影响，一旦UDP携带的数据超过1500-20（IP首部）-8（UDP）首部 = 1472字节，那么就会在网络层中分成多个IP数据报；
这些IP数据报有一个丢失，就会引起接收端网络层重组失败，所以UDP数据报一旦在网络层分片，那个整个数据就可能丢失。

②对TCP的影响
TCP的一个数据报长度也受限于MTU，TCP的单个数据报最大长度叫MSS；
TCP在建立连接时，还会进行协商MSS（最大段尺寸）；理想情况MSS的值为在IP不会被分片处理的最大长度；
双方在三次握手发送SYN的时候会在TCP首部写入能支持的MSS，最终取较小值；MSS在TCP头部的选项中。

使用ifconfig可以查看MTU：

三：ARP协议

ARP协议是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。
它的作用是当找到目标网络，将IP地址转换为MAC地址，从而找到目标主机；它建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。

ARP的必要性
在一个网络通信中，源主机的进程知道目的主机的IP地址（网段和主机）和端口号（进程），但是不知道目的主机的MAC地址；而数据包是先被网卡接收到再去处理的上层协议的，如果接收到的数据包的MAC地址与本机器不符，就直接丢弃了，所以在网络通信中必须知道目的主机的MAC地址。

ARP协议的工作流程：

1.源主机发送ARP请求，询问目的主机的MAC地址是多少，并将该请求广播到本地网段（目的MAC地址设置为全1为广播）；
2.目的主机收到广播的ARP请求，发现目的IP地址与自己相符，就发送一个ARP应答数据包给源主机（含有它的MAC地址）

每台主机都维护一个ARP缓存表，用来记录已经知道的映射关系，该表有过期时间为20分钟，20分钟内如果没有使用该表则失效。使用arp -a查看。

ARP数据报格式

接下来以发送端和应答端的两个角度来解析：

①发送端
以太网目的地址：全1，为广播形式
以太网源地址：自己的MAC地址
帧类型：0800
硬件类型：指链路层网络类型，1代表以太网
协议类型：0800位IP地址
硬件地址长度：对于MAC地址为6字节
协议地址长度：对于IP地址为4字节
op：1（表示ARP请求）
发送端以太网地址和发送端IP地址：自己的MAC地址和IP地址
目的以太网地址和目的IP地址：目的以太网地址为全1，表示广播；目的IP地址为对端IP地址

②应答端
以太网目的地址：对方MAC地址
以太网源地址：自己的MAC地址，把自己的MAC地址告诉对端
……
op：2（表示ARP应答）
……

第一步看的是op，要知道这个报文是ARP请求还是ARP应答。