一、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
二、对比理解 "数据链路层"和"网络层"
(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
(2) 以太网帧格式
- 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
(3) 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)
(4) 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
(5) 认识MTU
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
- 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
(6) MTU对UDP协议的影响
让我们回顾⼀下UDP协议：
- 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增加了
(7) MTU对于TCP协议的影响
让我们再回顾⼀下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(Max Segment Size)
- 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
(8) ARP协议
虽然我们在这里介绍ARP协议，但是需要强调，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
(9) 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
(10) 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
🔺 想⼀想，为什么要有缓存表？为什么表项要有过期时间而不是⼀直有效?
(11) ARP数据报的格式
- 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
三、补充
- 数据中如若包太短，那么需要PAD字段来填充，凑够长度，保证以太网正常工作
- 类型：区分是arp应答还是普通应答
- CRC检验：给整个帧做指纹，检查传输有没有被干扰弄坏，错了直接丢弃
🔺 ARP（地址解析协议）
- 已知IP地址，查出对应的MAC地址
- 为了支持局域网mac级别的通信
- arp的过程，就是先广播，再1：1发送mac地址的过程
- arp请求 / 应答是存在于以太网帧的数据字段
- 任何主机，可能被别人发起arp，该主机也会收到arp请求
- 任何主机，也可能曾经向别人发起过arp，未来应对的会得到应答，该主机也会收到arp应答
🔺 所以一个报文传过来，需要先看op字段
- arp缓存对相同记录，只会记录最新消息；有些不法分子，会进行arp欺骗
🔺 arp会将ip与mac的映射关系，缓存起来
- arp缓存时间长度：a. 需要缓存，提高效率；b. 时间长度有限制，ip和mac地址都有可能变化
- IP地址在内网和公网其实都是唯一的
- 私有IP内部，转换的工作都会存在；公网世界，不需要源IP地址替换
- 路由器的WAN口IP，替换报文的源IP
🔺 如若两台主机处在同一个局域网中，当他们请求同一个服务端的端口，因为经过源IP地址替换，他们的源IP就会一样了；但是它们又是不同的主机，所以，源端口也可能被替换
📍 交换机
- 以太网就是个临界资源，任何时刻，只允许一台主机发送数据
- 作用：划分碰撞域；就可以使得交换机两侧的碰撞域各自同时发送报文，提高了效率
