07.计算机网络——数据链路层

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数据链路层

​ 数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，用于同一数据链路节点之间进行数据传递。

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以太网帧格式

• “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准。
• 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。

• 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址/MAC地址，长度是48位，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。

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MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
• 子网中的ip是动态分配的，无法表示主机的唯一性，而MAC地址在网卡出厂时就确定了, mac地址唯一，其可以表示主机的唯一性。
• MAC地址长度为6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)。

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理解MAC地址和IP地址

• IP地址描述的是路途总体的起点和终点。
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点。

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认识MTU

• 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。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;
• 如果一个数据包长度大于MTU，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。

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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。
• 较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签(16位标识);
• 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1, 否则置为0);
• 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;

MTU对UDP协议的影响

​ 如果UDP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。

MTU对于TCP协议的影响

​ TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS（大消息长度）协商，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的值在TCP首部的40字节变长选项中。

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ARP协议

• ARP协议：ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议;

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ARP协议的作用

​ 当进行网络通信的时候，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。ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址的映射关系，从而解决了这一问题。

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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。
• 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。
• ARP会发生在网络中的任何路径中，在局域网中，任何一个主机收到的ARP可能是一个应答也可能是一个请求。
• 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。

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ARP数据报的格式

• 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;
• 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。

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