车载以太网-数据链路层

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前言

接着上一篇车载以太网-物理层，接下来小编带大家认识一下物理层的上一层——数据链路层，完整以太网OSI参考体系模型中分为7层，而在TCP/IP体系模型中分为了5层，如图1所示。数据链路层是属于整个分层中的第二层，站在数据帧的层面上解决了同一网络中的数据传输问题。

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数据链路层概述

“数据链路”是指在一段物理线路上存在多个节点，将实现通讯协议的硬件和软件加在链路上，以传输封装好的数据帧。我们熟知的CAN总线是以“广播”的形式发送报文，而以太网发送的报文特点是“点到点”的通讯，这就意味着每条报文的发送都需要知道发给谁，这里便需要引入IP地址的概念，IP地址属于OSI模型的第三层所以我们暂且先不解释；当我们知道了一条报文要发给谁时，我们就需要思考如何才能到那里，这就是MAC地址需要做的事。
举一个简单的例子：假设有一个人（一帧报文）想从城市A到城市B（这就是意味这帧报文携带了一个从哪到哪的信息即IP地址），首先搭乘高铁从城市A出发到城市C，然后再换乘从城市C去往城市B的高铁，这里的城市C相当于链路上的交换机（通常情况下主机与主机都需要连在交换机上进行通讯而非直接通信），城市A的进站口和城市B的出站口相当于网卡，用MAC地址进行标识。

MAC(Media Access Control)地址

MAC地址一般固化在网卡中，不能修改且唯一，用于标识一台主机，所以又称为“物理地址”或者“硬件地址”。MAC地址长度为6byte，前三个字节为“组织唯一标识符”，后三个字节为“本地管理”。其中Byte5的第一个bit位的0和1分别表示：单播地址和组播地址，Byte5的第二个bit位的0和1分别表示：全球统一配置和本地配置。如图2所示。

MAC地址的分类

1. 广播的MAC地址：每个bit都为1的MAC地址即FF:FF:FF:FF:FF:FF，它的传输目标是所有用户，其只能作用于目标MAC地址而不能作用于源MAC地址，是一种特殊的组播。
2. 组播MAC地址：Byte5的最低位为1的MAC地址，例如：01:00:00:00:00:01。组播地址可以是自己的组播地址也可是目标地址的组播地址；一个主机可以有一个组播地址也可以有多个组播地址，如图3所示，主机B点拥有多个组播地址。
3. 单播MAC地址：Byte5的最低位为0的MAC地址，例如：AA:BB:CC:DD:EE:01。其第一字节“AA(1010 1010)”的最低位就为0；单播地址指代一个明确的目的地。
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MAC地址的工作原理

对照图3所示，MAC地址的工作原理分为3步：
1）厂商为每个主机分配好MAC地址之后，将4个主机接入交换机，其中A主机发送报文，是先由交换机接收；
2）交换机先读取包头中的源MAC地址（即发主机A点的MAC地址），将该MAC地址和端口对应起来添加到交换机内存里的地址表中；
3）然后再读取包头中的目标MAC地址，对照内存里的地址看该MAC地址与哪个端口对应，如果地址表中有该MAC地址的对应端口，则将该数据包直接复制到对应的端口上；如果没有找到，则将该数据帧作为一个广播帧发送到所有的端口（接收到数据的端口除外），对应的MAC地址设备会自动接收该数据帧并进行回应，交换机将接收该帧数据的端口与这个目的MAC地址对应起来放入内存中的地址表中。
当目标地址为自己的组播01:00:00:00:00:01，那么主机B点和主机C点可以收到数据帧；而目标地址为目标组播01:00:00:00:00:02，那么主机B点和主机D点可以收到数据帧。
当目标地址为AA:BB:CC:DD:EE:02，则只有主机B能接收到。

帧格式

如图4所示为数据链路层的帧结构，前8个字节是前导码用于时钟同步即黄颜色部分，红色部分为MAC帧就是接下来详细解释的部分。

MAC帧分为两种，“Ethernet II"和"IEEE802.3"，区别在于第13~14Type，当该两个字节大于等于1536（0x0600）时是“Ethernet II"类型；当该两个字小于等于1500（0x05DC)时是"IEEE802.3"类型。见图5所示。

D.MAC：目标地址
S.MAC：源地址
Type：类型，标识上层协议
FCS：帧校验序列
Length：帧包含的数据量必须小于等于1500（0x05DC)
DSAP：目标服务存取点（Destination Service Access Point）
SSAP：源服务存取点（Source Service Access Point）
control：无连接或者面向连接的DLL
Org Code：厂商代码
Type：协议类型

VLAN虚拟局域网(Virual Local Area Network)

虚拟局域网是将一个物理LAN在逻辑上划分为多个广播域的通信技术。
它有如下4个优点，结合图6：

1. 由于广播域被限制在一个VLAN内，起到了限制广播域，降低网络带宽和终端资源消耗。
2. 不同VLAN内的报文在传输时相互隔离，一个VLAN内的ECU不能与其他VLAN内的用户直接通信，提高了网络安全。
3. 故障被限制在一个VLAN中，不会影响其他VLAN的正常工作，提高了网络的健壮性。
4. 用VLAN可以划分不同的ECU到不同的工作组，灵活构建虚拟工作组。
   

VLAN帧

在以太网类型帧中源MAC地址和类型间插入Tag帧，如图7所示。
TPID（Tag Protocol Identifier标签协议标识符）：标识数据帧的类型，值0x8100时表示802.1Q帧。
PRI（优先级）：标识帧的优先级。
CFI（Canonical Format Indicator标准格式指示符）：在以太网环境中该值默认为0。
VLAN ID（VLAN标识符）：标识该帧所属的VLAN，有效的VLAN ID范围一般为1~4094。

交换机的作用

简单解释一下什么是交换机？交换机负责连接网络设配和终端设备，如图8所示，交换机上有很多的接口可以连接主机或者路由器构成内部网络，位于模型的第二层（数据链路层），交换机的工作依赖于对MAC地址的识别，然后发送整个数据帧。帧的转发方式有两种，存储转发和直接交换。

总结

总体来说，数据链路层的知识要比物理层的知识多，在这一层我们认识了MAC地址是如何工作的以及VLAN虚拟网络的作用，也了解了一个重要硬件——交换机。仅对上述知识做了简单的介绍，更多的知识将会在下一篇中讲解，敬请期待。