计算机网络之数据链路层协议总结

1.数据链路层介绍

1. 数据链路层主要负责相邻设备之间的传输，决定传输的因素是MAC地址

MAC地址：6字节的整数，uint_8 addr[6];
MAC地址可以唯一标识一台设备和网卡设备绑定的

2. 以太网协议：目的MAC地址（6字节） + 源MAC地址（6字节） + 类型（2字节）+数据（来源于网络层）+ CRC校验
   

类型：标识网络层使用什么协议
数据：有效载荷，受MTU的限制
CRC校验：检验数据链路层的数据帧是否出错

2.ARP协议

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

2.1 ARP的工作流程

• ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系，获取相邻设备的MAC地址，目的IP—>对应的MAC地址
• ARP是广播发送，子网当中的所有机器都会收到ARP请求，分析ARP请求当中的目的IP地址是否是自己机器所持有的IP地址，如果是则回复ARP应答，在应答当中包含自己主机的MAC地址；如果不是，则不处理
  

主机会通过广播发送ARP请求，这个包中包含了想要知道的MAC地址的主机IP地址

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当同个链路中的所有设备收到ARP请求时，会去拆开ARP请求包里的内容，如果ARP请求包中的目标IP与自己一样，那么这个设备就将自己的MAC地址塞入ARP响应包返回给主机

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每台主机会维护一个ARP缓存表，缓存表中的表项有过期时间（每隔20分钟进行更新一次），如果20分钟内没有再次使用某个表项，该表项就会失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

2.2 ARP数据报格式

目的MAC地址：ARP请求当中，目的MAC地址全部填充为1，表示在当前子网中广播

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源MAC地址：ARP请求主机的MAC地址

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帧类型：以太网数据帧类型，表示上层在使用什么协议（0x0800：IP协议，0x0806：ARP请求或者应答）

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2字节的硬件类型：定义运行ARP网络的类型，一般都是以太网

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2字节的协议类型：表示使用什么协议，标识当前是IP地址转换MAC地址

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1字节的硬件地址长度：表示MAC地址的长度（6字节）

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1字节的协议地址长度：表示IP地址的长度（4字节）

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op：表示当前是ARP请求还是ARP应答，1表示请求，2表示应答

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发送端MAC地址：发送ARP请求主机还是ARP应答主机的MAC地址

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发送端IP地址：发送ARP请求主机还是ARP应答主机的IP地址

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目的MAC地址：当如果是ARP请求，填充0x000000000000；如果是ARP应答，填充ARP请求主机的MAC地址

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目的IP地址：目标主机的IP地址

3.NAT技术

3.1 NAT转换过程

• ipv4中，地址不充足，所以NAT技术解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能
• NAT可以将私有IP对外通信时转换为公网IP
• 公网IP要求唯一，但是私有IP不需要
• 简单的来说 NAT 就是同个公司、家庭、教室内的主机对外部通信时，把私有 IP 地址转换成公有 IP 地址
  
• NAT服务对于通信双方是无感知的
• 网络被划分为私网和公网，NAT网关通常架设在私网到公网路由出口的位置，双方的数据包都需要经过NAT网关
• 网络的访问只能从私网一端发起，公网是无法访问到私网的主机的
• NAT网关对于请求而言，替换源IP地址；对于应答而言，替换目的IP地址
  
• NAT网关实现了双向翻译的功能，所以需要在NAT网关中维护一张映射表，把替换的信息记下来

3.2 NAPT技术（动态NAT重载）

1.N个私有IP地址，难道必须要有N个公有IP地址？这如何缓解地址紧缺的问题呢？
2.绝大多数的网络应用都是使用TCP/UDP来传输数据的，所以可以把IP地址 + 端口号 一起转换，这样一个公有IP地址就够了
3.这种转换技术就叫做NAPT

• NAPT理论上可以：一个公网IP可以替换2^16个私网IP（取决于端口号uint16_8)
• 私网IP地址和公网IP地址变成了多对一的关系
• NAPT也是动态NAT，也可以在NAT网关当中维护多个公网IP
• NAPT很好的解决了IP地址不够用的问题，NAPT的好搭档是DHCP协议（动态主机分配协议）

4.DNS技术

• 我们在上网的时候，通常使用的是方式是域名，而不是IP地址，因为域名方便人类记忆
• 实现这一技术的就是DNS域名解析，DNS可以将域名网址自动转换为具体的IP地址

4.1 域名层级关系

• 域名其实就是由" . " 分割的字符串的集合，分割出来的字符串表示公司的名称或者性质对额字符串
• com：商业公司 cn：中国 gov：政府 edu：教育
• 域名中越靠右的位置表示层级越高，层级关系类似一个树形结构
  

4.2 域名解析流程

• 浏览器的缓存当中缓存域名和IP地址对应关系
• 本地的hosts文件当中也会缓存域名和ip地址对应关系

浏览器首先查看一下自己的缓存里有没有，如果没有就向操作系统的缓存要，还没有就检查本机域名解析文件hosts，如果还是没有，就回DNS服务器进行查询，有两种查询方式：一种是递归查询；一种是迭代查询

5. ICMP协议

• ICMP叫做互联网控制报文协议

5.1 ICMP功能

• 主要功能包括：确认 IP 包是否成功送达⽬标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善⽹络设置等
• 在IP通信中如果某个IP包因为某种原因未能达到目的地址，那么这个具体的原因将由ICMP负责通知
  

5.2 ICMP类型

• 第一种是用于诊断的查询消息，是查询报文类型
• 第二种是通知出错原因的错误消息，是差错报文类型