数据链路层

目录

前言

一、以太网

1、以太网帧格式

2、理解Mac地址与IP地址

3、以太网通信原理

二、ARP协议

1、ARP协议格式

2、ARP协议通信原理理解

3、疑惑解答

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前言

        本文主要讲解数据链路层相关协议，以及数据链路层所承担的主要任务；

一、以太网

        数据链路层中最常见的协议就是以太网，除此以外还有令牌环网、无线LAN等；我们前面讲过，网络层与传输层处于我们操作系统中，而数据链路层处于计算机体系结构中的驱动层；我们不管是Linux、Window或是MacOs中的网络层与传输层都是大同小异的，而我们数据链路层却又很大的区别；本文主要讲解以太网这种协议及格式；

1、以太网帧格式

        以太网帧格式设计的十分简单，如下图所示；

目的地址：目的主机的Mac地址

源地址：本主机的Mac地址

类型：若数据为IP报文，则该字段填入0x0800 即可

CRC：CRC为检验校验码，检测数据是否有异常

2、理解Mac地址与IP地址

        假设现需将主机A某个数据送到主机B，数据帧中地址变化如下图所示；

        不难看出，在每次转发过程中，IP地址没有发生任何改变，而我们的Mac地址一直都在改变，IP地址始终为通信起点与终点两台主机上的IP地址；而Mac地址为每次转发中，发送方与接收方的Mac地址；

3、以太网通信原理

        以太网通信的原理是在同一个局域网中进行广播；如下所示，有四台主机分别为A、B、C、D与一台路由器R；

        假设主机A想给给C发送一条信息，那么整个流程到数据链路层应该是如何进行的呢？

首先主机A将要发送的数据进行封装，封装成Mac帧，如下所示；

        我们将上述数据帧发送到局域网中，此时我们的BCDR都收到了来自A的数据帧，可是它们拿到数据帧后，发现目的地址上的地址并不是自己，因此它们将这个数据帧丢弃掉了；而当我们的C主机收到了数据帧后，发现目的地址正是自己的Mac地址，因此将数据帧进行解包，交付给上层的IP协议；

二、ARP协议

        在数据链路中，除了上述的以太网帧协议以外，还以一个ARP协议，也称 地址解析协议（Address Resolution Protocol），该协议主要将IP地址转换成对应的Mac地址；

        在上述我们讲述以太网原理时，实际上有一个Bug，我们一开始封装Mac帧，想要发送给对方时，是如何得知对端Mac地址的呢？这个工作就由我们的ARP协议来完成；

1、ARP协议格式

        ARP协议格式如下图所示；

        前三个字段与以太网格式前三个字段一摸一样，值得注意的是第三个字段若填0x0800则表示使用以太网协议，数据字段为IP数据报，而若该字段填0x0806则表示使用的是ARP协议；

硬件类型：指链路层网络类型，1表示以太网；

协议类型：指要转化的IP地址类型，0x0800为IP地址；

硬件地址长度：对于以太网地址大小为6字节；

协议地址长度：对于IP地址大小为4字节；

op：1表示ARP请求，2表示ARP应答；

        后面四个字段如字段名所示；其中需要注意的是有两个以太网目的地址，我们可将其理解成如下所示；

        前三个字段为以太网协议字段，因此第一个以太网目的地址为以太网协议中的，而第二个以太网目的协议属于ARP协议的；

2、ARP协议通信原理理解

        如下所示，有四台主机分别为A、B、C、D与一台路由器R；

        假设我们A主机只知道C主机的IP地址，想要通过ARP协议知道主机C的Mac地址，首先A主机填写ARP协议报头字段，如下所示；

        我们将以太网目的地址都填为全F，表示广播，当该数据帧发送出去后，BCDR都收到了该数据帧，并发现第一个字段中的以太网目的地址为全F，代表广播，于是都接收了该数据帧，接着去掉以太网协议报头，依旧是前三个字段，并根据帧类型字段将剩下的交给ARP协议，然后我们首先看选项为1，表示该数据帧为ARP请求，接着我们在看目的IP地址，BDR发现并不是自己，因此会将这个数据帧抛弃，主机C发现这个目的IP地址正是自己的IP地址，因此记录下对端的IP与对端Mac地址，准备发送一个ARP应答；填充字段后格式如下；

        当主机C将该数据帧发到局域网中，ABDR都收到了该数据帧，不过在发现以太网目的地址并不是自己后将该数据帧丢弃，只有主机A收到该数据帧后将数据帧保留下来，交付给上层的ARP协议，ARP协议首先看OP字段，发现是一个应答数据帧，因此直接将对端的IP与Mac地址的映射记录下来；此时ARP协议完成，得到了对端的Mac地址；

3、疑惑解答

在上述两次丢弃数据帧，两次丢弃一样吗？

        不一样，第一次接收方丢弃是在ARP协议层丢弃，这时因为IP地址并不是自己的IP地址，第二次丢弃是在以太网协议层丢弃，是因为数据帧接收的地址并不是自己；

一个局域网中的主机数变多了以后为什么网络会卡顿？

        实际上，一个局域网上有多台主机时，每台主机都可能想要发送数据，当数据在局域网上传播也就是通过光电信号传播，若同一个时刻有多台主机发送数据，这些数据会发生碰撞，使数据发生错误，这时会引起网络卡顿；