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目录
数据链路层
认识以太网
以太网帧格式
模拟局域网通信---交换机
对比理解 MAC 地址和 IP 地址
认识 MTU
MTU 对 IP 协议的影响
MTU 对 UDP 协议的影响
MTU 对于 TCP 协议的影响
ARP 协议
ARP 协议的作用
ARP 协议的工作流程
ARP 数据报的格式
前言
💬 hello! 各位铁子们大家好哇。
今日更新了Linux网络数据链路层的内容
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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.
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;
以太网帧格式
以太网的帧格式如下所示：
- 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。
模拟局域网通信---交换机
假如我们要把数据从主机A送到主机G。局域网的任何主机都能收到这个mac帧。当主机B收到时，提取出目的地址，发现要去的地址是macG，而主机B的地址是macB。所以主机B在链路层就把这个报文丢弃了，在链路层丢弃的，上层就不可能看见这个报文，所以上层就认为没有收到这个数据，其实下层是拿到了的。其他主机也会重复刚刚的过程。最后只有主机G收到。
一般情况下，只允许一台主机在局域网发消息。
如果有多台主机发消息，就会发生数据碰撞。发生碰撞了，就要进行碰撞避免算法。让主机各自进行休眠随机时间，休眠期间，这个局域网可以被其他主机继续利用。
为了缓解数据碰撞的问题，就引入了交换机。
在一个局域网中，主机数量越多，发生碰撞的概率就越高。
最开始，交换机是不知道情况的。交换机转发的数据对象也是数据帧，所以它是工作在数据链路层的。
交换机有左右两个接口，当数据帧从A到G时，src是macA，i0就会记录macA。当数据帧从G到A时，src是macG，i1就会记录macG，其他主机同理。
记录完成后，以后发送数据时，假如要从A到E，交换机发现E不在另一边，就不再对报文进行转发了。此时工作的时候，D和G也想进行通信，此时交换机不作转发，所以两个子网就能分别工作了。
所以交换机的作用就是：划分碰撞域。
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;
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;
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 0, 否则置为1);
- 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
- 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
- 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：
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
- 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
routeR是接向外部网络的路由器，路由器收到报文，目标地址是IPE，是它子网内的主机，但它不知道IPE对应的mac地址是多少，就没办法封装mac帧。所以路由器就要先发起arp请求。每一台主机都是一个协议栈，arp请求要进行mac帧封装，然后才能放到局域网中。每台主机都会收到这个数据帧，假设主机B收到了，因为报头的src是FFF...，就会把报文进行分离，帧协议类型是arp，有效载荷就交给了arp层，发现操作类型是arp请求，目的IP是IPE而不是IPB，就会把报文丢弃。其他主机同理，最后只有主机E受理了。主机E受理后，就会发送arp应答，因为该数据帧报头有目的地址了，其他主机在数据链路层的mac帧层就处理完成丢弃了，不需要传到上层。最后只有路由器受理了，就拿到了目的IP的mac地址。这样就能发消息了。
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。
