Linux网络——数据链路层

数据链路层主要用于局域网中两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

一.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，是当前应用最为广泛的局域网技术。

1.以太网帧格式

• 源地址和目的地址指网卡的硬件地址(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.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)。

对比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。

3.交换机

由于以太网是局域网，就说明其范围比较小，而且在局域网中某主机发送数据时，除了目的主机之外，其余的所有主机都能收到数据。

如果在某局域网中存在很多的主机，那么这些主机互相发送消息，就可以导致数据在局域网内频繁发生数据碰撞，从而导致数据不能及时被接收。

为了解决这一问题，引入了交换机，交换机能够将局域网中的主机进行分段，同时记录各个主机的位置。

例如：主机A向主机B发送数据，如果主机A和主机B在交换机的同一端，那么交换机就会阻止主机A的数据发送给该交换机另一端的数据；而如果主机A和主机B在交换机的不同侧，交换机就会允许数据通过，去寻找主机B，通过此种方式，就可以大大降低数据在局域网中发生碰撞的可能。

二.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(fragmentation);
• 不同的数据链路层标准的 MTU 是不同的。

当IP数据包超过MTU时，就需要进行分片，这部分在上一篇文章中已经分享过了。

三.ARP协议

ARP协议建立了主机 IP 地址 和 MAC 地址 的映射关系，是介于数据链路层和网络层之间的协议。

• 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MAC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MAC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MAC地址。

源主机发出 ARP 请求,询问“IP 地址是 172.20.1.2 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。

1.数据报格式

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,对于链路层为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。