计算机网络-数据链路层

一、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。

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。

1、以太网格式

• 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。

2、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)

3、对比理解MAC地址和IP地址

• IP地址侧重于全局的转发，描述的是路途总体的起点和终点。从起点到终点这整个转发过程，通过IP地址负责完成（查询路由表）。
• MAC地址侧重于局部的转发，两个相邻设备之间的转发，描述的是路途上的每一个区间的起点和终点。

举例：

我们要从郑州到北京，从郑州到北京会有多种路线，假设通过网络层的路由选择过程，最终确定路线为 郑州 -> 新乡 -> 河北 -> 北京。

那么有：

1、郑州 -> 新乡

• 源IP：郑州 ；目的IP：北京
• 源mac：郑州；目的mac：新乡

2、新乡 -> 河北

• 源IP：郑州 ；目的IP：北京
• 源mac：新乡；目的mac：河北

3、河北 -> 北京

• 源IP：郑州 ；目的IP：北京
• 源mac：河北；目的mac：北京

通过该例子可以很好的看到MAC地址和IP地址的区别。 对于 源mac 和 目的mac 每经过一个路由器或交换机都会发生改变。

二、认识MTU

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（包）；
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的;

1、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（用到IP协议头中的13位片偏移）;
• 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。

2、MTU对UDP协议的影响

回顾⼀下UDP协议:

• ⼀旦UDP携带的数据超过1472(1500(MTU) - 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.

3、MTU对于TCP协议的影响

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;
• 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)

三、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。

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。