数据链路层详解

上一节所说IP地址提供了一种能力：能够将数据跨网络从A主机到B主机，但是这是一种更为宏观的说法。事实上从A主机到B主机之前是不是应该先经过一个个的路由器（结点），真正做事干活的是数据链路层中的mac帧地址。

1. 局域网

这是一个局域网，可以把局域网理解为一个班级，其中学生和老师都是这个局域网中的一台主机。老师说：张三你告诉我为什么你的作业还没有交？然后张三站起来告诉老师：我的作业忘在家里面了，并不是没有做，是没有带。在这个老师提问张三，张三站起来回答的过程中，我们可以认为是局域网中的两台主机进行通讯。

1. 把整个局域网可以理解为一个碰撞域
2. 如果在老师准备向张三提问的时候，发现别的同学也在不停的讲话，此时老师认为向张三的提问，很可能张三是听不到的。所以在通讯前要先进行冲突检测
3. 所以老师就等待他们都停止说话了，再开始向张三提问。这个叫做：冲突避免
4. 那么为什么在同一个班级中，老师提问只有张三站起来了呢？（如何做到局域网中的两台主机单独的通信），假设这里就是主机C和主机E进行通信，主机C在发送数据的时候填写了源mac地址（主机C）和目的mac地址（主机E）然后就直接把数据发到局域网中，然后局域网通过以太网协议找到主机E，事实上局域网中的所有的主机都收到了这个数据然后解包发现目的mac地址对不上，就自动进行了丢弃，只有主机E可以匹配上。
5. 交换机（工作在数据链路层）：能够划分碰撞域，并且减少碰撞的次数
6. 如果主机C把数据交付给了路由器，目的就是为了能够进一步的接近目的ip。
   

2. 以太网协议

“以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的内容.

1. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;
2. 例如：以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;
3. 以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等;

1.1 以太网帧格式

• 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位（定长的）,是在网卡出厂时固化的;
• 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;
• 帧末尾是CRC校验码

2. MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

2.1 对比理解MAC地址和IP地址

唐僧取经故事

• IP地址描述的是路途总体的起点和终点;（从东土大唐而来要到西天拜佛求经）
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;（上一站从高老庄来，下一站要到车迟国）
• 一个数据的源IP地址因为NAT技术有可能发生改变，但是目的IP地址一定不会改变，数据进行路由的过程中源MAC地址和目的MAC地址会一直不断的发生改变。不管如何最终的目的就是为了能够到达目的IP地址。

3. MTU（最大传输单元）

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制.

• 以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;
• 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(fragmentation);
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的;

3.1 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数据包要进行分包.

• 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, 是的话置为0, 否则置为1);
• 到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 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

这一块是上一文章所提到的分片和组装部分。

3.2 MTU对UDP协议的影响

• 一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报.
• 这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了.

3.3 MTU对于TCP协议的影响

• TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(Max Segment Size);
• TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.
• 最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).
• 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值.
• 然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS.
• MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中;

MSS（TCP的有效载荷）和MTU（IP报头+IP的有效载荷）的关系

使用ifconfig命令, 即可查看ip地址, mac地址, 和MTU;

4. ARP协议

作用：能够通过IP地址获得mac地址。

ARP协议也处于数据链路层的, 但是它和mac帧协议有一个上下层的关系，且ARP协议在mac帧协议之上。

ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系.

• 在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址;
• 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃;
• 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址;

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。
  

4.1 ARP数据报的格式

剩余的部分是mac帧的报头，且这个图中还少了一个CRC校验位。

• 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。
• 硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;
• 协议类型指要转换的地址类型, 0x0800为IP地址，0x0860为ARP请求/应答，0x0835是RARP的请求/应答;
• 硬件地址长度对于以太网地址为6字节;
• 协议地址长度对于和IP地址为4字节;
• op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答（这个很重要收到ARP一定要先看这个bit位，因为任何一台主机都有可能是想要获取别人的mac地址（ARP请求），也有可能是别人想要获取它的mac地址（ARP应答））

RARP协议是通过mac地址获得IP地址。