计算机网络（九）——数据链路层

---

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。

IP最大的意义在于路由选择。通过目的IP吧数据包从一个路由转到另一个路由。

结点之间如何传递数据呢？就是数据链路层解决的。

一、认识以太网

1.1 什么是以太网

• “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；

1.2 以太网的帧格式

在数据链路层，传输的是数据叫做数据帧。

• 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。

二、MAC帧

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)。

• 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；

三、MTU

3.1 认识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。

3.2 MTU对IP协议的影响

• 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。— 上一篇IP协议中有详细介绍
• 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。

3.3 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大增加了。

四、ARP协议

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。

4.1 认识ARP

凡是能够直接传递数据的两个相连的结点，一定是在同一个网段（局域网），那么就要遵循局域网通信原理。

首先面对一个问题：如何在一个网段中，通过IP地址获得该主机对应的MAC地址？
为什么要获得MAC地址呢？

• 一个主机是通过唯一IP地址标识的，但是在一个局域网中，想要真正的传递给该主机，首先需要知道对方的MAC地址。
• MAC地址才是真正确定一个主机（网卡）的，在局域网中通信是通过以太网和MAC地址的。

4.2 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;

4.3 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；
• 如果IP地址与本机不相同就直接丢弃。
• 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

4.4 ARP数据报格式

• 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。