linux之数据链路层

1.路由

default缺省路由:当一台路由器查路由表没有找到时，就将报文发给这个缺省路由。

报文在公网中运行的过程有三种:1.找到对应的路由器，进行转发。2.没找到，转发给缺省路由。3.进入子网变成内网转发

指令:route，路由表

$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1000   0        0 eth0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

Iface是接口，表示destination的ip的报文可以通过这个接口发送报文，flags中的U表示正在使用，G表示该报文要交给下一跳的路由器.

destination为0.0.0.0就表示当前主机的默认路由，也就是负责把报文发给连接外界的默认网关

gateway 是下一跳地址，0.0.0.0的意思是不用转给下一个路由器了，直接arp广播即可。非0的gateway就是连接另一个子网的路由器。

数据链路层，从上层接受下来的完整报文，大小不超过 MTU（一般是1500字节）。

超过 MTU 的就要进行分片，也就是在网络层要对大小超过MTU的IP 报文要进行分片与组装。

在传输时任何一个分片丢失都意味着该报文整体丢失，因此在网络通信的过程中，如果分片过多，就会提高丢包概率。由于分片和组装的操作是被迫的(传输时报文长度不能太长，数量也不能太多的限制下的综合平衡下的操作)，因此要减少分片。

在网络层无法控制报文的大小，他只能对报文分片或丢弃，因此只能在传输层上操作，以保证分片的可能性减少。因此我们对传输层报文的有效载荷数据大小进行了限制，这个值叫 MSS(1460)(算术是 MTU 1500 减 IP 首部 20 再减 TCP 首部 20)。

而这个值就是滑动窗口中每个段区间的范围最大值（最大报文段).

分片和组装

这两步操作与 IP 协议中剩余的 3 个区间有关系

16 位标识：同一个原始报文切出来的分片标识全都一样，不同原始报文的标识不同。

3 位标志：第一位作保留（现在不用），第二位为 1 表示禁止分片，超过 MTU 大小，在网络层直接丢弃，丢完还会回一个 ICMP 差错报文，告诉发送方需要分片但被禁止了。第三位为 1 表示我后面还有分片，为 0 表示后面没有分片了，并不能保证我是分片。

13 位片偏移：当前分片在原始报文中的偏移量。

组装过程，先判断看 3 位标志的第三位是否为 1，为 1 即为分片，为 0 时看偏移量是否为 0，为 0 就不是分片，不为 0 就是分片。

只有在更多分片处标志位为 0 且 13 位偏移量为 0 时才不为分片，其余情况都为分片。

2.如果识别分片，就先按相同标识的分片，聚合在一起。

在识别为分片时，就看16位标识，把相同标识的分片组装在一起

丢失情况，1.没有片偏移量为0的分片代表第一片丢失

2.没有更多分片为0的分片就代表最后一片丢失

3.中间分片丢失是就采用把所有收到的分片按照片偏移进行升序排序，由于片偏移的单位是 8 字节，所以算下一片的位置是当前片偏移量加本片数据长度再除以 8，因此由上一个推导出的片偏移数字就能发现下一个分片是否存在了，同时对分片升序排序就自动完成对片偏移的组装。

2.数据链路层

用于解决局域网通信的问题

分层定位上，传输层是用于解决传输过程中遇到的问题，网络层解决传的方向问题，数据链路层就是解决如何传的问题。局域网中最广泛使用的是以太网，其是一种技术标准。

上面就是数据链路层封装完后后的帧格式，数据部分是有效载荷，里面大部分是 IP 报文，除了有效载荷其余部分大小是固定的，因此可以很轻松进行分离。

类型：这里存的数值决定了往上层给什么协议。ifconfig 中 ether 对应的地址就是 mac 地址。

$ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.23  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
        inet6 fe80::a00:27ff:fe4e:66a1  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 08:00:27:4e:66:a1  txqueuelen 1000  (Ethernet)//这里
        RX packets 12043  bytes 9432231 (9.4 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 8121  bytes 1219934 (1.2 MB)
        TX errors 0  dropped 0  overruns 0  carrier 0  collisions 0

类型中 0x0800，0x0806，0x0835 分别代表 IP 数据报、ARP 请求与应答、RARP 请求与应答。（0x86DD 是 IPv6。）

MTU 是以太网的最大传输单元，为 1500 字节，最小传输单元为 64 字节。

(46 是最小数据载荷，补充:帧太短的话,报文发送太快，导致发送方在发送完报文时碰撞信号才检测到，冲突就检测不出来。)

在传输过程中不同路由器的 MTU 可能不同，所以一个报文可能在传输过程中发生分片。

握手时双方交换 MSS，取较小的那个，定下那一刻每段的上限。这个约定只在握手时成立，之后路径上某一段 MTU 更小时，它管不了。这种情况要靠那一跳的路由器回一个"需要分片"的 ICMP，把上限告诉发送方；发送方自己再把包改小，这就是路径 MTU 发现。

实战里还有一个坑值得知道。很多防火墙把 ICMP 全拦了，那个"需要分片"的消息传不回来，表现就是小包能通、大包卡死，网页点得开但图片一直转圈。这种情况叫 PMTUD 黑洞。

在网络中跑的是 IP 报文去找下一站，在链路上跑的是加了 mac 地址的帧。

MTU 和 MSS 对 IP/UDP/TCP 协议的影响都是分片导致的效率问题。

收包：主机收到一帧时，先看帧头里的目的 MAC，只有是自己的，才拆开信封并把数据交给上层的 IP 处理；如果是广播地址，也收下；如果不是自己的，直接丢弃，连里面的 IP 报文都不看。

发包：顺序反过来。先用目的 IP 查路由表，确定从哪块网卡发出、下一跳是谁。如果下一跳在别的网段，这个下一跳就是网关。然后用 ARP 把下一跳的 IP 换成 MAC，填入帧头。

因此，帧头里的目的 MAC 通常不是最终那台主机的 MAC，而是下一跳的 MAC。只有目标在同一网段时，下一跳才是对方本身，这时填的才是它的 MAC。

一个局域网本身就是一个碰撞域，发生碰撞的主机要休眠来避免碰撞，也就是一个时刻在局域网中只能发送一个数据帧，也就是局域网（以太网）本身就是一个共享资源(临界资源)因此使用以太网的时间越短，发生冲突的可能越少，此时发送方发送的数据帧就越短越好(短的占用时间才少)，但是又要保证数量越少越好，这几点平衡下的数据就是46~1500字节大小，也就是说这个数据是用来减少以太网冲突的概率的.（ai认为的1500 是标准定下的上限，为了不让一台主机霸占线路太久。46 是下限，为了凑够 64 字节的最小帧长，让碰撞检测来得及。中间的长度随便填，不是被这两条挤出来的。)

将目的ip转化成mac地址的局域网协议(ARP协议(地址解析协议)):知道了对方的mac地址才能传递，真正在网络物理层上流动的数据其实是数据帧。

在网络层和mac帧中间还有一个处于数据链路层的ARP协议

主机要把包发到本网段之外时，帧头里填的是网关的 MAC 地址，这条记录通常早就保存在主机自己的 ARP 缓存里了。网关收到之后，它并不认识最终那台主机，它只知道下一跳的 IP，所以它得对这个 IP 再做一次 ARP，问出 MAC 地址后才能继续往下送。

想知道某个 IP 地址对应哪个 MAC 的一方，可能是主机，也可能是路由器，会发一个 ARP 请求。这个请求走以太网广播，同一网段的所有设备都能收到，原因很直接，发起方本来就不清楚目标在哪里，只能靠广播问一声。

被问到的那个 IP 所属设备发现请求问的是自己，就回一个 ARP 应答。应答是单播，直接发回给发起请求的一方。为什么应答能单播？因为请求里已经写明了发起方的 IP 和 MAC，回信地址是现成的，不需要再广播问一遍。

两边收到结果后，都会把结果写进各自的 ARP 缓存，一次解析就结束。整个过程只做地址替换，没有连接，也没有握手。

局域网中任何主机都有可能收到arp请求，要么收到arp应答。

arp报头处于以太网首部的后面。

mac帧中的帧类型为0806时就代表为arp报文

硬件类型通常代表在以太网(数字为1)，因为有可能为其他局域网类型，因此要保留这个字段

ARP 协议是用于局域网转发的

帧类型就是说的上层类型，一般是 IP 协议，值为 0800

硬件地址长度默认为 6，代表 6 字节，协议地址长度是 4，代表 4 字节。op字段为 1 表示 ARP 请求，字段为 2 表示 ARP 应答。ARP 请求时目的 mac 地址不清楚就填全 0，（这是arp请求时的情况）同时以太网首部中的目的 mac 地址也填全 f，也就是广播地址。

在写完ARP数据时还要到mac帧处封装一层，广播报文时所有主机都要接受这个报文，在这个报文分用传到ARP层时，该主机先看这个报文op是否为1，才根据目的ip是否匹配来决定是丢弃还是应答(核心：主机得到arp时，首先看的是op，如果op是1才看目的ip）。

ARP 应答按规范以请求帧的源 MAC 为目标单播回去；这个以太网目的 MAC 对接收方本身不提供任何新信息，双方地址其实早已互相知道；但它仍是这一跳的交付与过滤凭证：交换机靠它决定从哪个端口转发出去，其他主机的网卡则在硬件层就把帧丢弃。因此它准确来说是"冗余"而非"无用"；去掉它后靠广播也能送达，代价只是单播退化成泛洪，以及本来在硬件里就被丢弃的帧要进入协议栈之后才会被丢弃。(也就是其它主机是看以太网首部的mac帧，来丢弃报文的)

从整体的局域网上看，arp请求是在arp层丢弃的，arp应答是在mac帧层丢弃的。只要是arp接收到的报文，都是优先看op，然后再处理，如果op=2，就知道是应答，此时发送arp请求的主机就知道目的主机的mac地址了。

1.主机都会在一段时间内，记录下来局域网中各个ip对应的mac地址的映射关系

2.当我们用穷举的方式向当前局域网的所有主机发报文时，都会发送一份arp请求，等到应答时就能得到一份完整的arp映射表了，没回的主机不记录。

3.临时记录的原因有可能会有人更换网卡和局域网的ip地址并不是固定的，因此需要更新

4.路由生成，是路由协议（静态配置、OSPF、BGP）算出并写入路由表的过程；转发，则是报文到达后只查这张表，决定从哪个接口送出------表由前者写，后者只读。

5.arp虽然是一个局域网协议，但将整个互联网拆分成大量局域网看后就能明白arp在整个网络通信过程中是在大量触发的