【计算机网络】数据链路层重点协议

目录

1. 认识以太网

1.1 以太网帧格式 

2. 认识MTU

2.1 MTU对IP协议的影响 

2.2 MTU对UDP协议的影响

2.3 MTU对TCP协议的影响

3. ARP协议 

3.1 ARP协议的作用

3.2 ARP协议的工作流程

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1. 认识以太网

• 以太网是一种局域网的技术规范，而不是一种具体的网络，以太网既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容，如：规定网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等
• 以太网中的网线必须使用双绞线，传输速率有10M，100M，1000M等
• 以太网是当前应用最广泛的局域网技术，和以太网并列的有令牌环网，无线LAN等

1.1 以太网帧格式 

• 源地址和目的地址为网卡的硬件地址（MAC地址），长度为48位，网卡出场时就确定了
• 帧协议类型字段有三种，为IP，ARP，RARP
• 帧尾是CRC校验码 

2. 认识MTU

MTU规定了以太网最大的传输数据长度，超过了这个长度就会分片（实际在网络层就会分片），比如网购了一个桌子，桌子整张太大了，快递就分开包装，如：桌子腿，桌子面，固定桌子的材料等，快递到货后，我们在对其进行组装成一个完整的桌子

• 以太网帧中的数据长度规定最小为46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补充填位
• 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
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的

2.1 MTU对IP协议的影响 

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要分片

• 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签
• 每个小包IP协议头的16位标识（id）都是相同的
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置1，不是置0）
• 到达对端后，再将这些小包按顺序进行重组，拼装到一起返回给传输层
• 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败，但是IP层不会负责重新传输数据

2.2 MTU对UDP协议的影响

数据包分片后，如果多个分片的数据报有任意一个丢包，整个数据报就没有用了（UDP只管发送，不管接收），接收端根据多个分片还原的时候就会重组失败，只能丢弃，这意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢弃的概率大大增加了

2.3 MTU对TCP协议的影响

• TCP数据报也不能无限大，也受限于MTU，TCP单个数据报的最大长度称为MSS（双方约定最大传输端大小）
• TCP建立连接的时候，通信双方会进行MSS协商，双方在发送的SYN的时候在TCP头部写入自己能支持的MSS值
• 双方知道对方的MSS值后，选择min(MSS，MTU)值作为最终的MSS
• 如果真实发送的数据超过MSS，就会分片，如果任意一个分片丢包，整个数据报就没用了，但是TCP协议有超时重传机制会重新发生，所以丢包的影响不大

3. ARP协议 

ARP协议不单纯是数据链路层的协议，它是介于数据链路层和网络层之间的协议 ，ARP协议建立了主机IP地址与MAC地址的映射关系，主机和路由器中都维护了一张ARP缓存表（基于ARP协议，可以通过IP地址找到对应的MAC地址）

3.1 ARP协议的作用

• 发送数据到同网段主机时，目的IP和目的端口肯定都知道，但是可能不知道目的主机的MAC，这时候基于ARP缓存表通过目的主机IP找到对应目的主机MAC（找不到就喊话）
• 发送数据到不同网段主机时，先往网关设备发，也要基于ARP协议通过网关IP找到网关MAC
• 网关设备封装完数据报，根据路由功能，找到下一跳设备的IP，此时基于网关设备的ARP缓存表，通过IP找到下一跳设备得MAC

3.2 ARP协议的工作流程

• 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