【Linux 网络】 数据链路层协议

数据链路层解决的问题

• IP拥有将数据跨网络从一台主机送到另一台主机的能力，但IP并不能保证每次都能够将数据可靠的送到对端主机，因此IP需要上层TCP为其提供可靠性保证，比如数据丢包后TCP可以让IP重新发送数据，最终在TCP提供的可靠性机制下IP就能够保证将数据可靠的发送到对端主机。
• TCP除了对下层IP提供可靠性机制之外，TCP对上还提供进程到进程的服务，我们在进行socket编程时，本质就是在使用TCP或UDP为我们提供的进程到进程的服务。
• 但数据在网络传输时需要一跳一跳的从一台主机跳到另一台主机，最终才能将数据转发到目标主机，因此要将数据发送到目标主机的前提是，需要先将数据转发给与当前主机直接相连的下一跳主机，而两台主机直接相连也就意味着这两台主机属于同一网段，因此将数据转发到下一跳主机实际是属于局域网通信范畴的，而这实际就是链路层需要解决的问题。
• 也就是说，网络层IP提供的是跨网络发送数据的能力，传输层TCP是为数据发送提供可靠性保证的，而链路层解决的则是两台相连主机之间的通信问题。

以太网协议

认识以太网

局域网技术

不同局域网所采用的通信技术可能是不同的，常见的局域网技术有以下三种：

• 以太网：以太网是一种计算机局域网技术，一种应用最普遍的局域网技术。
• 令牌环网：令牌环网常用于IBM系统中，在这种网络中有一种专门的帧称为“令牌”，在环路上持续地传输来确定一个节点何时可以发送包。
• 无线LAN/WAN：无线局域网是有线网络的补充和扩展，现在已经是计算机网络的一个重要组织部分。

虽然网络中各个局域网所采用的通信技术可能的不同的，但是IP屏蔽了底层网络的差异，对于网络通信双方的IP层及其往上的协议来说，它们并不需要关心底层具体使用的是哪种局域网技术。

• 数据在发送之前会先进行数据封装，此时链路层会给数据封装上对应的局域网的报头。
• 如果数据要进行跨网络传输，那么就需要经过路由器转发。
• 当数据在路由器进行向上交付时，会将该数据对应的局域网报头去掉。
• 而当路由器该数据转发给下一跳之前，又会给该数据封装上下一跳网络所对应的局域网报头。

也就是说，网络中的路由器会不断去掉数据旧的局域网报头，并添加上新的局域网报头，因此数据在进行跨网络传输时，就算所需跨越的网络采用的是不同的局域网技术，最终也能够正确实现跨越。

以太网通信原理

• “以太网”不是一种具体的网络，而是一种技术标准，它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，以太网规定了网络拓扑结构，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。

以太网中所有的主机共享一个通信信道，当局域网中的一台主机发出数据后，该局域网中的所有主机都能够收到该数据。

• 比如当局域网中的主机A想要发送数据给主机B时，其实局域网当中的每一台主机都能收到主机A发出去的数据，只不过最终只有主机B会将主机A发来的数据向上进行交付。
• 局域网当中的其他主机虽然也收到了主机A发出的数据，但经过识别后发现这个数据不是发送给自己的，于是就会直接将该数据丢弃而不会向上进行交付。

也就是说，在进行局域网通信的时候，局域网当中的所有主机都能够看到局域网中传输的任何数据，只不过每个主机都只关心发送给自己的数据罢了。

扩展：

• 网络抓包不仅能够抓到发送给自己的报文数据，也能抓取到发给别人的报文数据，实际就是因为在进行网络抓包时，主机将从局域网中收到的所有报文数据都向上交付了而已。
• 网卡有一种模式叫做混杂模式，被设置为混杂模式的网卡能够接收所有经过它的数据流，而不论其目的地址是否是它。

碰撞避免算法

由于以太网中的所有的主机共享一个通信信道，因此在同一时刻只允许有一台主机发送数据，否则各个主机发送的数据就会相互干扰。站在系统的角度来看，这里各个主机所共享的通信信道就是一种临界资源，这个临界资源同一时刻只允许一台主机使用。

• 对于这个问题，以太网的做法就是先不限制各个主机发送数据的能力，局域网中的每个主机想发数据的时候直接发就行了，但是只要发送出去的数据与其他主机发送的数据产生了碰撞，那就得执行碰撞避免算法。
• 所谓的碰撞避免算法就是，当主机发送出去的数据产生碰撞时，该主机需要等待一段时间后再进行数据重发，在主机等待的时候就能够就能够尽可能让局域网当中的数据消散。
• 以太网通信的原理就像现实生活中开会一样，在开会过程中同一时刻只允许一个人发言，如果两个人突然同时说话，那么双方都会有礼貌的等待别人先说。

也就是说，以太网中主机发送的数据产生碰撞后该主机会执行碰撞避免算法，所以我们说以太网是基于碰撞区和碰撞检测的局域网通信标准。

碰撞避免算法就是主机等待一段时间后重新发送数据，因此以太网底层也有重传机制，只不过以太网的重传机制只是为了保证将数据从局域网中的一台主机发送到另一台主机。

令牌环网

• 令牌环网（Token-ring network）的传输方法在物理上采用了星形拓扑结构，但逻辑上是环形拓扑结构。
• 令牌环网的通信传输介质可以是无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等。
• 令牌环网中各节点间采用多站访问部件（Multistation Access Unit，MAU）连接在一起，MAU是一种专业化集线器，用来围绕工作站计算机的环路进行传输。

在令牌环网中有一种专门的帧称为“令牌”，这个“令牌”会在环路上持续地传输，只有拿到“令牌”的主机才能发送数据，因此发送出去的数据不会发生碰撞。

• 令牌环网当中的“令牌”就像系统当中用于保护临界资源的互斥锁一样，“令牌”与互斥锁一样也有“忙”和“闲”两种状态，“忙”表示令牌已经被占用，而“闲”则表示令牌没有被占用。
• 想要发送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，并将其置为“忙”状态，然后才可以发送数据，这就和申请互斥锁的过程很像。
• 此外，由于“令牌”在网环上是按顺序依次传递的，因此对于所有入网的计算机而言，它们获取令牌的机会都是相等的，因此不会造成某台主机发送数据的饥饿问题。

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协议、ARP协议和RARP协议。
• 帧末尾是CRC校验码。

MAC帧如何将报头与有效载荷进行分离？

以太网MAC帧的帧头和帧尾都是固定长度的，因此当底层收到一个MAC帧后，直接提取出MAC帧当中固定长度的帧头和帧尾，此时剩下的就是有效载荷了。

MAC帧如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

以太网MAC帧对应的上层协议不止一种，因此在将MAC帧的报头和有效载荷分离后，还需要确定应该将分离出来的有效载荷交付给上层的哪一个协议。

在MAC帧的帧头当中有2个字节的类型字段，因此在分离出报头和有效载荷后，根据该字段将有效载荷交付给对应的上层协议即可

认识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）。

我们可以通过ifconfig命令来查看我们的MAC地址。

对比理解MAC地址和IP地址

实际数据在路由过程中会存在两套地址，一套是源IP地址和目的IP地址，还有一套是源MAC地址和目的MAC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。

比如做公交车时，源IP地址就是我们上车的站点，目的IP地址就是我们最终要下车的站点，而源MAC地址就是公交车上一个已经到达的站点，目的MAC地址就是公交车下一个将要到达的站点。

因此数据在路由过程中，源IP地址和目的IP地址可以理解成是不会变化的，而数据每进行一跳后其源MAC地址和目的MAC地址都会变化。

认识MTU

MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）描述的是底层数据帧一次最多可以发送的数据量，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

• 以太网对应MTU的值一般是1500字节，不同的网络类型有不同的MTU，如果一次要发送的数据超过了MTU，则需要在IP层对数据进行分片（fragmentation）。
• 此外，以太网规定MAC帧中数据的最小长度为46字节，如果发送数据量小于46字节，则需要在数据后面补填充位，比如ARP数据包的长度就是不够46字节的。

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;

• 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

MTU对UDP协议的影响

让我们回顾一下UDP协议:

• 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.

MTU对于TCP协议的影响

让我们再回顾一下TCP协议:

• 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);

MSS和MTU的关系

ARP协议

虽然我们在这里介绍ARP协议, 但是需要强调, 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;

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;

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

为什么要有缓存表? 为什么表项要有过期时间而不是一直有效?

缓存表的作用是维护IP地址和MAC地址，这样每次在进行网络通讯时，不用每次都发出ARP请求。过期时间是为了防止缓存中的数据长时间不更新而导致数据不准确或过时。当缓存中的数据过期时，我们需要重新获取IP地址和MAC地址。

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。

从ARP的数据格式也可以看出，ARP是MAC帧协议的上层协议，ARP数据格式中的前3个字段和最后一个字段对应的就是以太网首部，但由于ARP数据包的长度不足46字节，因此ARP数据包在封装成为MAC帧时还需要补上18字节的填充字段。

总结

链路层解决的是两台相连主机之间的通信问题，两台主机需要获得通信不仅仅需要IP地址，还要有MAC地址。而对端的IP的地址我们一般是知道的，但是MAC地址我们不知道，所以ARP协议帮我们解决了获取对端MAC地址的问题。