数据链路层

文章目录

• [1. 路由](#1. 路由)
• [2. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"](#2. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层")
• • [2.1 认识以太网](#2.1 认识以太网)
  • [2.2 以太网帧格式](#2.2 以太网帧格式)
  • [2.3 认识MTU](#2.3 认识MTU)
• [3. ARP协议](#3. ARP协议)
• • [3.1 ARP数据报的格式](#3.1 ARP数据报的格式)

1. 路由

路由的目的是：在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

路由的过程就是这样一跳一跳"问路" 的过程，所谓 "一跳" 就是数据链路层中的一个区间， 具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

IP数据包的传输过程也和问路一样，当IP数据包到达路由器时，路由器会先查看目的IP，路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。依次反复，一直到达目标IP地址。

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢?
这个就依靠每个节点内部维护一个路由表，路由表可以使用route命令查看。

路由表的Destination是目的网络地址，Gateway是下一跳地址，Genmask是子网掩码，Iface是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发。

假设我们要发送的目的IP地址和Genmask进行按位与运算，如果不属于Destination，就和下一条Genmask进行按位与运算，如果属于Destination，就会通过eth0转发，如果全部条目都没有符合，就会发送到default默认网关。

2. 对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"

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。

网络层的作用是：将数据包从A主机跨网络送到B主机的能力。

数据链路层是：将数据先发送到局域网中的任意一台路由器，而这个路由器是有多个子网的，再通过这个路由器发送到其它局域网。

加白了，网络层告诉你路径怎么走，而数据链路层是帮你如何走。

2.1 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、以太网中的网线必须使用双绞线。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。

2.2 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。帧末尾是CRC校验码。

那么如何进行解包呢？

很简单，目的地址、源地址、类型、CRC是固定大小字节，在解包时直接去掉就可以了。

那么该传给那种协议呢？

这时候就需要看类型。
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。

PAD意思是填充。

要进行局域网通信，首先要看到同一份资源，所以都有连接到局域网中。如果我们要从M1发送数据到M6，那么就需要将报文发送到局域网中。

并且每一台主机都需要拿到这个报文。不论你的主机在干什么，都需要随时随地的把局域网中的数据拿出来。然后拿到每一台主机的数据链路层之后，进行解包和分用。那么每一台主机都会对比目的mac地址和自己的mac地址看相不相同。不相等就丢弃，相等就向上交付。

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地址通常是局域网唯一的(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。

不过一般mac帧一般体积不要过大，不然会大大增加数据碰撞的概率。所以，MAC必须对上提出要求，那么就有了MTU这个概念。

2.3 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。

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。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。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，由传输层进行重新传输数据。

MTU对UDP协议的影响：

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 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。

MTU对于TCP协议的影响：

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)。

MSS和MTU的关系：

MTU加上IP和TCP报头最大是1500字节，去掉2个20字节的报头，还剩下1460个字节。

3. 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 。

假设我们要发送的数据包已经到达了路由器D，现在需要在局域网内发送给主机C。我们知道：局域网传输数据用的是MAC帧地址，但是根据发送的方法，我们只知道对方的目的IP。对方的MAC帧地址我们该如何知道呢？
arp：地址解析协议，将IP地址转成MAC地址。

3.1 ARP数据报的格式

如果主机A向主机B发送数据时，首先要知道目的主机的MAC地址。

那么该如何知道呢？
源主机发出ARP请求，询问目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。

以太网源地址填的是自己主机的MAC地址。

这里的帧类型就是ARP。

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。

发送端以太网地址就是MACA，发送端IP地址就是IPA。

目的以太网地址我们不知道，所以是全F(FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)，目的IP地址我们知道是IPB。

所以当我们主机收到了一个ARP请求向上交付时，首先应该看哪个呢？

答案肯定是先看目的IP地址，当主机B收到ARP请求时，发现是自己的，就会给主机A发送ARP应答。发送端以太网地址就是MACB，发送端IP地址就是IPB，目的以太网地址就是MACA，目的IP地址就是IPA。目的地址填的是MACA，源地址填的是MACB。所以当所有主机再次受到ARP应答时看到是MACA，不是自己的就直接丢弃了。当我们获得了对方MAC帧后，发现op是应答就把我们的数据重新封装再次发送过去。

如果主机A离主机B很远，并且多次向主机B发送消息，难道每一次都会发送响应ARP吗？

肯定不会，谁发起的请求，谁就会把目的IP和目的MAC映射关系暂时缓存起来，我们可以在Linux下用arp -a查看缓存表。

为什么表项要有过期时间而不是一直有效?

因为我们主机的IP是可能变化的，当IP变化的时候会更新我们的缓存表。