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本文主要简单介绍【数据链路层】,其中比较重要的是【以太网协议】;除外,再针对网络原理进行简单【小结】。
数据链路层中最关键的是以太网
1.以太网帧格式:
以太网帧头中的目的地址不是IP地址,而是MAC地址,是用6个字节表示的地址。MAC地址主要就是在数据链路层实现相邻结点之间的转发。
(MAC地址也是标识主机位置的,定位和IP是一样的)
都已经存在了一套IP地址,为啥还要搞一套MAC地址呢?
① 其实可以只有一套IP地址,但是介于历史原因都同时存在了(两伙人搞的)。
② 所以最后:网络层转发使用IP地址,数据链路层转发使用MAC地址。
③ 因为MAC地址设计的时候有6个字节,所以到目前位置MAC地址是够用的,可以让每个主机都有独立的MAC地址,而这个地址是网卡出厂的时候就已经写好了的。
正经的网卡在出厂的时候是会被分配一个唯一的MAC地址的;但是也有一些山寨厂商没有相关的资质,生产的网卡的MAC地址可能和别人重复。
但是由于MAC地址只在数据链路层使用,只要相邻区域的设备MAC地址不重复即可。
【在网络上,MAC地址可以作为是主机身份标识的一种方式】
如把数据包从A发送到B(中间经过CD):
IP:A=>B; MAC:A=>C=>D=>B。
那么当把包发送到C处时,C就要对这个包进行分用和重新分装:
①IP地址(始终不变):源IP:IPa, 目的IP:IPb
②MAC地址(改变【只是针对相邻结点】):源MAC:MACc, 目的MAC:MACd
所以:IP地址始终只是起点、终点; MAC地址在变化,只是相邻结点之间
② 类型0806 ARP、类型8035RARP:特殊的以太网数据帧,不是用来传输数据的,而是用来让相邻结点之间相互认识。
③ MTU:是一个以太网数据帧能够承载的最大值:1500字节
- 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。
- 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。
- 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(IP分片),整个数据被丢失的概率就大大增加了。
- 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)。
① 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;
② 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。
① 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);
② 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;
③ 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
【网络原理】部分终于基本结束啦!
网络上的设备都是通过IP地址作为身份标识的,但是IP地址不好记/不好传播,此时就可以使用一串单词(域名,如http://www.baidu.com)来表示这个IP地址。
但是实质上网络的数据传输还是通过IP地址的,所以就需要把域名解析成IP地址。
所以,DNS系统功能就是把域名自动转换成IP地址。
2)封装
② 转换完成后就得到一个IP地址,浏览器就可以构造出HTTP数据报(后面再详细介绍)
③ HTTP数据报被交给了传输层(也就是是TCP),TCP就根据刚才的地址先建立连接(三次握手),然后再发送刚才的HTTP请求。
④ 请求被发送到网络层(也就是IP协议),IP协议将其封装成IP数据报再交给数据链路层。
⑤ 数据链路层收到IP数据报后将其封装成对应的数据帧,最终通过网卡传输出去。
3)传输:中间会经历一些交换机和路由器
⑥ 交换机 会把数据分用到数据链路层(更上层的就不再解析了),再重新封装,继续转发。
⑦ 路由器 会把数据分用到网络层(更上层就不再进行解析了),重新封装,继续转发。
转发过程涉及到路由表的匹配过程:路由器根据数据报中的目的IP在路由表中匹配,找个合适的方向发出去。(注:每次转发TTL都减1)
4)到达服务器
⑧ 到达目标服务器之后,服务器进行层层分用,一直到HTTP这一层(HTTP具体解析过程后面再说)
⑨ 服务器就会找到你想访问的那个资源,把资源构造成HTTP响应(也就是根据请求计算响应)
5)服务器把响应数据进行重新封装(同以上2)
6)响应数据在中间进行转发,回到浏览器
7)浏览器(客户端)这里再针对数据进行解析【分用】
8)最终解析出一个网页并渲染到浏览器上。