数据链路层相关知识

数据链路层的作用

两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递数据

认识以太网

  • "以太网"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;
  • 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;

以太网帧格式

如下所示:
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说明

  • 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址),长度48位,是在网卡出厂时固化的;
  • 帧协议类型字段值有三种值,分别对应IP,ARP, RARP;
  • 帧末尾是CRC校验码;

帧类型的几个值对应的以太网帧:

1.类型的值为0800,对应IP数据报
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2.类型的值为0806,对应ARP数据报
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3.类型的值为8035,对应的RARP数据报
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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;

拿以太网协议来说,在以太网协议中,以太网帧的MTU是1500。
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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

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;

MTU对UDP协议的影响

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

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
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认识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

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;

ARP协议的工作流程

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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

RARP是什么

RARP是反向地址解析协议(Reverse Address Resolution Protocol)的简称,功能与ARP相反。

认识分包

为什么要分包?

网路中的各个设备的传输能力是不同的,每个设备使用的数据链路层协议可能不一样,所以MTU也不一样。
比如:路由器A使用的数据链路层协议的MTU是7000,而路由器B使用的数据链路层协议的MTU是1500。当数据包从A传到B那里的时候,路由器B就需要对数据进行分包。

分包的具体过程

首先主机A发送数据包到路由器中
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由于主机A和路由器用的数据链路层协议不同,所以路由器要对数据进行分包处理,然后再发送给B,然后B对数据进行重新组装
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