【网络】数据链路层

目录

一、以太网

二、以太网帧格式

三、 MTU

1、MTU概念

2、 MTU对IP协议的影响

3、MTU对UDP协议的影响

4、 MTU对于TCP协议的影响

四、MAC地址

五、 ARP协议

1、ARP协议的作用

2、ARP协议的工作流程

3、ARP数据报的格式

4、中间人

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 数据链路层解决的，是在同一个子网内，如何发送数据的问题。

 跨网络的本质，就是在很多子网内进行路由和转发。

一、以太网

•  "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。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等。
•  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。
•  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。

二、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，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。

 以太网中，任何时刻，只能有一台主机给另一台主机发送数据帧，否则可能会发生数据碰撞的问题。因此局域网又称为碰撞域。

三、 MTU

1、MTU概念

 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。
•  设置MTU是因为局域网内同一时刻只允许一台主机发送消息，否则可能会导致数据碰撞，如果一个数据帧过长，则会导致碰撞发生的几率，且发生碰撞，整个数据帧都要重传。

2、 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。
  

3、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。

4、 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(kind=2)。

四、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，即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)

 主机A向主机D发送数据时，会把报文报头中的目的MAC地址设置为D的MAC地址。实际上A的数据报发出后，该局域网中的所有主机都能收到该数据报，每一台主机都会把数据报的报头分离出来，并把目的MAC地址与自己做对比，如果不同则直接丢弃该报文，相同则把有效载荷交给上层。

 网卡可以设置为混杂模式，即不对报文的目标MAC地址进行认证，直接把有效载荷向上交付。这也是大部分局域网抓包软件的原理。

 因为局域网中可能会出现数据碰撞的问题，因此为了解决这个问题，首先要先发现问题。主机A在发送完数据后，也会自己接收一份自己刚刚发送的数据，并进行报文拆分后检查校验码与自己之前发送的是否相同，如果相同，则没有发生碰撞，如果不同，就等一会再发一次。这个等待的时间是随机的，局域网中每个主机不同。这种网络资源可以类比到系统中的临界资源。

 局域网中主机数量越多，发生碰撞的概率越大。为了降低发生碰撞的概率，可以在局域网中增加交换机来划分碰撞域，把碰撞域划分成几个区域，一个区域内的数据帧不会被发送到其他区域。

对比理解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。

 把数据从主机A发送到主机B，需要知道对方的MAC地址，因此就需要根据对方的IP地址转换成MAC地址。这需要用到ARP协议。 

五、 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。

1、ARP协议的作用

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。

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。这样做是因为一个局域网内IP地址是公有的，有可能MAC1对应的设备退出后，MAC2设备用使用了同一个IP地址，导致数据发送不了。

3、ARP数据报的格式

•  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。
•  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。

任何主机收到ARP，先看op，确认是请求还是应答。

4、中间人

 因为所有主机收到APR后都会直接查根据应答看op字段，判断是请求还是应答，如果是应答，就会根据应答在本主机内构建IP地址与MAC地址的映射关系。这样一来就有可能有一个中间人主机M向主机A发送ARP应答，把路由器的IP与自己的MAC地址放到一起发给主机A，这样主机A就会误以为路由器的IP地址对应的MAC地址是M的MAC地址，从而以后本该发给路由器的数据都发给主机M了。同样的操作再对路由器做一次，这样路由器发给主机A的数据都会发送给主机M。这就叫做ARP欺骗。