数据链路层 - 技术栈

两个设备在同一个局域网中进行通信.

具体来说:

同一局域网内
两个同类型数据链路节点（如网卡、交换机）之间
直接传递数据帧

以太网协议

以太网帧格式

字段	长度（字节）	作用
目的地址	6	接收方 MAC 地址，用于局域网内寻址
源地址	6	发送方 MAC 地址
类型	2	标识上层协议类型（如0x0800=IPv4，0x0806=ARP）
数据	46~1500	承载上层协议数据（如 IP 数据报、ARP 报文等）
CRC	4	循环冗余校验，用于检测帧传输错误

认识MAC地址

核心作用 ：MAC地址是数据链路层中用于唯一标识相连节点的硬件地址，负责在局域网内完成设备间的寻址与数据交付。
格式与长度 ：长度为48位（6字节） ，通常采用XX:XX:XX:XX:XX:XX的十六进制冒号形式表示，例如：08:00:27:03:fb:19。
唯一性与可变性 ：
- 物理网卡的MAC地址在出厂时固化，理论上全球唯一，不可随意修改。
- 虚拟机的MAC地址 为虚拟分配，并非真实硬件地址，可能出现地址冲突。
- 部分网卡支持用户手动配置MAC地址（即MAC地址克隆/修改），存在一定灵活性。

认识MTU

MTU（最大传输单元，Maximum Transmission Unit）可以类比为快递包裹的尺寸限制，它是不同数据链路对应的物理层所产生的传输长度约束。

以太网帧数据长度约束 ：以太网帧中数据段的长度被规定为最小46字节 、最大1500字节。若ARP数据包长度不足46字节，需要在其后填充补足（PAD字段）。
以太网MTU定义 ：以太网数据段的最大长度1500字节，即为以太网的最大传输单元（MTU）；不同网络类型对应不同的MTU值。
跨链路分片机制 ：当数据包从以太网路由至拨号链路等其他链路时，若数据包长度超过目标链路的MTU，就需要对数据包进行**分片（fragmentation）**处理，拆分为符合目标链路MTU要求的多个分片。
MTU的差异性：不同数据链路层标准（如以太网、PPP、令牌环等）所规定的MTU数值各不相同。

使用ifconfig命令, 即可查看ip地址, mac地址, 和MTU

MTU对UDP协议的影响

分片阈值计算 ：在以太网MTU=1500字节的场景下，UDP携带的有效数据若超过1472字节（计算：1500 - 20字节IP首部 - 8字节UDP首部），就会在网络层被拆分为多个IP数据报。
分片的可靠性风险 ：UDP本身无重传机制，而IP层重组要求所有分片必须完整到达。只要任意一个IP分片丢失，整个UDP数据报的重组就会失败，最终导致完整UDP报文丢失。因此，UDP报文被分片后，数据丢失的概率会显著上升。

MTU对TCP协议的影响（MSS相关）

MSS定义 ：TCP单个数据报的最大消息长度称为 MSS（Max Segment Size，最大分段大小），它的大小受限于MTU。
存储位置 ：MSS的值存储在TCP首部的40字节变长选项 中，类型为kind=2。
理想MSS取值：最理想的MSS值，是让IP层不需要分片处理的最大长度，即：

MSS=MTU−IP首部长度−TCP首部长度 \text{MSS} = \text{MTU} - \text{IP首部长度} - \text{TCP首部长度}MSS=MTU−IP首部长度−TCP首部长度

（以太网场景下，MTU=1500，IP首部20字节，TCP首部20字节，因此理想MSS=1460字节）

MSS协商机制 ：
1. TCP在三次握手建立连接时，通信双方会通过SYN报文进行MSS协商。
2. 双方会在TCP头部的**变长选项（kind=2）**中，写入自己能支持的MSS值。
3. 最终会选择双方MSS值中较小的那个 ，作为本次连接的有效MSS。

局域网中具体通信过程---共享式以太网广播通信原理

这张图展示了**共享式以太网（如集线器环境）**的广播通信机制：

广播发送特性 ：主机A发送的以太网帧（目的MAC为macE，源MAC为macA，类型0800代表IP协议）会被广播到所有连接在同一总线/集线器上的主机（B、C、D、E都会收到该帧）。
目标匹配过滤 ：
- 只有目的MAC地址匹配的主机E会接收并处理该帧的数据。
- 主机B、C、D因自身MAC地址与帧中目的MACmacE不匹配，会直接丢弃该帧，不做任何处理。

加入交换机后的通信行为解析

初始状态（交换机MAC地址表为空）

主机A发送目的MAC为macE、源MAC为macA的以太网帧。
交换机收到该帧后：
1. 学习MAC地址 ：将源MACmacA与接收端口绑定，写入MAC地址表（CAM表）。
2. 泛洪转发 ：因MAC地址表中无macE的条目，交换机会将该帧广播到除接收端口外的所有其他端口（B、C、D、E都会收到）。
主机B、C、D因MAC不匹配丢弃帧；主机E匹配目的MACmacE，接收并处理该帧。

交换机学习到macE后（MAC地址表已包含macA和macE）

主机A再次发送目的MAC为macE的帧：
1. 交换机查询MAC地址表，发现macE对应主机E的端口。
2. 精准单播转发 ：仅将该帧转发到主机E所在端口，不会广播到B、C、D。
只有主机E收到并处理该帧，其他主机完全感知不到此通信，带宽和安全性大幅提升。

每次通信,交换机都进行学习,当把主机都学习完毕后,下次通信,可以直接发送到交换机,由交换机直接发送消息到达指定主机,而不进行广播.

只要交换机完成 MAC 地址学习，后续通信就可以精准单播转发

ARP协议

在网络通信中，源主机虽然知道目的主机的IP 地址和端口号，但无法直接获知其硬件 MAC 地址：

网卡仅接收硬件地址与本机匹配的数据包，地址不符则直接丢弃。

若没有目的 MAC 地址，以太网帧无法正确封装和交付，通信无法建立。

因此，通信前必须通过 ARP 协议将目的 IP 地址解析为对应的 MAC 地址，才能完成局域网内的数据传输。

ARP协议核心作用 : 建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系.

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.

网络层与数据链路层的核心协议关系

"类型" 指的就是以太网帧头部的类型字段，它是上层协议的标识，决定了数据链路层如何交付给上层。

类型值	对应上层协议	作用
0x0800	IP 协议	表示以太网帧的数据部分是 IP 数据报，交付给网络层 IP 协议处理
0x0806	ARP 协议	表示数据部分是 ARP 请求 / 应答，交付给数据链路层 ARP 协议处理
0x8035	RARP 协议	表示数据部分是 RARP 请求 / 应答，交付给数据链路层 RARP 协议处理

IP → 以太网：IP 数据报封装进以太网帧时，类型字段设为0x0800，告知对方法数据是 IP 协议。
以太网 → ARP/RARP：当类型字段为0x0806或0x8035时，以太网帧直接将数据交给 ARP/RARP 协议处理，无需经过网络层。
ARP → 以太网：ARP 报文封装进以太网帧时，类型字段设为0x0806，用于 IP 到 MAC 的地址解析。
RARP → 以太网：RARP 报文封装进以太网帧时，类型字段设为0x8035，用于 MAC 到 IP 的地址解析。

ARP协议的工作流程

ARP 请求 ：源主机以广播方式（目的 MAC 为FF:FF:FF:FF:FF:FF）发送 ARP 请求，询问 "192.168.0.1对应的 MAC 地址是多少"，确保本网段所有主机都能收到该查询。
ARP 应答 ：只有 IP 地址匹配的目的主机，会单播回复ARP 应答 ，将自身 MAC 地址告知源主机，完成 IP→MAC 的地址映射。

ARP缓存表

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

bash 复制代码

syb@VM-8-5-ubuntu:~$ arp -a
_gateway (10.1.8.1) at fe:ee:6b:e3:2a:f8 [ether] on eth0

ARP数据报的格式

报文整体结构

以太网首部（14字节）：目的MAC地址(6B)、源MAC地址(6B)、帧类型(2B，ARP 为 0x0806)
ARP 数据部分（28字节）：硬件类型、协议类型、地址长度、操作码、发送端/目的端的 MAC+IP 地址

字段	含义与取值
硬件类型	链路层网络类型，以太网为 `1`
协议类型	要转换的地址类型，IPv4 为 `0x0800`
硬件地址长度	MAC 地址长度，以太网为 `6字节`
协议地址长度	IP 地址长度，IPv4 为 `4字节`
op（操作码）	`1` = ARP 请求，`2` = ARP 应答
地址冗余	源/目的 MAC 地址在以太网首部和 ARP 报文中各出现一次，以太网场景下冗余，但兼容其他链路层协议