数据链路层

用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递

认识以太网

“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

跨网络传输的本质是由无数个局域网转发的结果，理解跨网络传输的本质，首先需要理解局域网中报文的转发原理；上文中网络层的作用是路由选择，真正去实现路由的是数据链路层

以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示：

• 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

学习报文最重要的两个问题：
如何解包？
定长报头加上后面4字节校验码

如何分用？
报头中的类型决定交付的协议类型

理解局域网转发的原理

报文在数据链路层经过以太网的封装，形成数据帧；由主机1发送至局域网中，该报文会被局域网中所有的主机获取，在数据链路层先识别目的地址，如果不符合直接丢弃；如果符合，直接向上交付

如果大量主机同时发送数据，此时每个主机都会受到大量数据，进而导致数据传输效率低下，解决措施有：令牌环，以太网

在以太网中规定：在任何时刻，只能有一个主机发送消息，如果多个消息被同时发送，会导致局域网中的数据发生碰撞，从而变成无效数据；一个局域网，一个碰撞域

再后来交换机的引入，也大大降低了碰撞的概率

交换机划分了碰撞域，当识别局部性碰撞时，对碰撞数据不进行转发

重新看待局域网，可以将局域网当作临界资源；规定任何时刻只能有一台主机能够向临界资源中写入数据

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
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改
  

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

认识MTU

由于碰撞域的存在，一台主机发送数据时，发送的数据是较长些好，还是较短些好，为什么呢？
较长或者较短都会影响传输效率，适中较好

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

MTU对上层协议的影响

在上文的网络层中已经介绍过分片，这里不加赘述

查看硬件地址和MTU

ARP协议

再回到数据帧中，再局域网中可通过目的IP和子网掩码确定目标网络，目标网络中存在着许多的主机，通过目标主机MAC地址便可确定目标主机，但是数据帧中需要填充的内容就是目标主机的MAC地址，所以在与目标主机传输数据之前，还存在一个过程：获取目标主机MAC地址，ARP协议便可完成这一任务

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

简单来说，ARP协议，根据IP地址，得到对方主机的MAC，获取对方主机的MAC地址后，再发送MAC帧

ARP数据报的格式

• 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

ARP协议的工作流程

主机1调用ARP请求，填入字段，目的地址填入FFFFFF，进入数据链路层封装成MAC帧，发送至局域网中，被局域网中的每个主机收到，对比目的IP是否相等，进行丢弃；到达目的主机后，向上交付给ARP协议，读取op内容判断ARP的类型：请求或应答；填入MAC地址，返回数据链路层进行封装，再发送至局域网中，直接到达主机1（由于MAC已经获取，其他主机不再获取MAC帧），至此可以开始发送数据