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❀ 数据链路层协议
前言： 在当今这个信息化高速发展的时代，网络已经成为我们生活、工作中不可或缺的一部分。从发送一封电子邮件到观看一部在线电影，从远程办公到云计算服务，网络无处不在地连接着我们。然而，在这看似简单便捷的网络背后，隐藏着复杂而精细的通信机制。数据链路层协议，作为网络协议栈中的关键一环，正是这些机制中不可或缺的重要组成部分。
让我们一同踏上这段探索之旅，揭开数据链路层协议的神秘面纱，共同见证网络世界的无限可能。
以太网帧格式
在我们了解以太网帧格式之前，我们似乎并没有正式的介绍过以太网，现在先让我们了解一下以太网。
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
- 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
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，
通常为 0800- 帧末尾是CRC校验码
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)
简单来说就像我们从长沙出发前往广东，长沙到广东描述的就是IP地址，我们在前往广东时，会途径多个城市，衡阳，郴州，韶关等待，这些城市就类似于Mac地址，是路由需要经过的地方
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
主机A 在发送报文时，先让发送得报文的目标网络号和自己网络号比对，不相等的话就会将报文转发到路由器当中，假设我们主机A 要发送报文给主机G，在发送过程中，B，C，D，E，F可能也会收到封装的数据帧，但是在解析时发现目标网络号和自己不同，又会自动将报文丢弃，直到最后G接收到报文
值得注意的是：
- 局域网中，任何时候，只允许一个主机在向局域网发送数据
- 同时发送的话，会出现局域网数据碰撞的问题
- 交换机可以划分碰撞域，降低碰撞发生的概率
我们在进行通信时，主机B要把数据传给主机C，先查自己的路由表，决定把数据报文传给路由器F，当不是发给本网络的主机后，直接发给路由器，路由器在收到Mac帧后，对报头进行解包，然后将有效载荷向上交付到网络层，继续查路由表，确定下一跳的去向，然后重新封装。在转发过程中，目的IP地址不变，但是每一次转发时的Mac帧报头会发送改变
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
那么为什么要规定一个以太网数据帧的最大限制呢？那我们思考一下是把数据帧弄得很大，出现冲突碰撞的概率大还是控制在一个较小的空间发生的概率大呢？就算发生了，哪次重传的成本更低也是需要考虑的，所以我们发送的数据帧就不能太大
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，对于这一点我们在IP协议时已经解释过了，当然那里我们只是简单提了一下，现在我们来更进一步理解MTU
MTU对IP协议的影响：
- 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
- 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，
IP层不会负责重新传输数据
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
查看硬件地址和MTU：
指令：
ifconfig
ARP协议
为了让报文在物理网络上传输，还需要知道对方目的主机的MAC地址。因此，ARP协议在局域网中起着至关重要的作用，它能够实现通过IP地址获取对应主机的MAC地址，从而确保数据包能够正确地从源设备传递到目标设备。
- 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
ARP协议的工作流程：
- 源主机发出ARP请求，询问"IP地址是192.168.0.1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全F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
ARP数据报的格式：
我们若需要在主机A上对主机G建立通信：
- 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
NAT技术
NAT是一种用于IP地址转换的技术，它在网络通信过程中将一个IP地址转换为另一个IP地址，包括私有地址和公有地址的转换。NAT技术广泛应用于解决IPv4地址不足的问题，是路由器的一个重要功能
- NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP，也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法
- 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP
- 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要，在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的
NAT IP转换过程：
NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37，NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10，在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表。当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系
如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的，那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机，这是就要用到NAPT，使用IP+port来建立这个关联关系
这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的，例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项，在断开连接后，就会删除这个表项
NAT技术的缺陷：
- 无法从NAT外部向内部服务器建立连接
- 装换表的生成和销毁都需要额外开销
- 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开
NAT和代理服务器：
- 从应用上讲： NAT设备是网络基础设备之一，解决的是IP不足的问题。代理服务器则是更贴近具体应用，比如通过代理服务器进行翻墙，另外像迅游这样的加速器，也是使用代理服务器。
- 从底层实现上讲： NAT是工作在网络层，直接对IP地址进行替换。代理服务器往往工作在应用层
- 从使用范围上讲： NAT一般在局域网的出口部署。代理服务器可以在局域网做，也可以在广域网做，也可以跨网
- 从部署位置上看： NAT一般集成在防火墙，路由器等硬件设备上，代理服务器则是一个软件程序，需要部署在服务器上
代理服务器又分为正向代理和反向代理：
其他重要协议
DNS协议：
TCP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序，但是IP地址不方便记忆，于是人们发明了一种叫主机名的东西，是一个字符串，并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系
最初, 通过互连网信息中心来管理这个hosts文件的
- 如果一个新计算机要接入网络，或者某个计算机IP变更，都需要到信息中心申请变更hosts文件
- 其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网
这样就太麻烦了，于是产生了DNS系统
- 一个组织的系统管理机构，维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系
- 如果新计算机接入网络，将这个信息注册到数据库中
- 用户输入域名的时候，会自动查询DNS服务器，由DNS服务器检索数据库，得到对应的IP地址
域名简介
主域名是用来识别主机名称和主机所属的组织机构的一种分层结构的名称.
python
www.baidu.com域名使用
.连接
- com： 一级域名，表示这是一个企业域名，同级的还有 "net"(网络提供商)，"org"(非盈利组织) 等
- baidu： 二级域名，公司名
- www： 只是一种习惯用法，之前人们在使用域名时，往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式，来表示主机支持的协议
ICMP协议：
主要用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。这些控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息
ICMP主要功能包括
- 确认IP包是否成功到达目标地址
- 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因
- ICMP也是基于IP协议工作的，但是它并不是传输层的功能，因此人们仍然把它归结为网络层协议
- ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情况下，需要是用ICMPv6
ping命令使用到的就是ICMP协议，ping命令基于ICMP，在网络层，所以ping命令不会存在什么端口号的
总结
掌握数据链路层协议不仅是理解网络运作机制的关键一环，更是开启未来网络技术创新之门的钥匙。让我们携手前行，在网络的无限可能中，共同书写属于我们的辉煌篇章。我们下篇再见！
希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！
