数据链路层以太网协议
目录
一、以太网协议格式
二、局域网通信
三、碰撞避免
四、MTU
五、交换机
实现网络通信，首先要实现的是局域网通信。例如，分别处于两个局域网中的主机1和主机2，要想实现主机1和主机2的通信，首先得实现各自局域网中主机与路由器的通信，即局域网通信。数据链路层解决的就是局域网通信问题。
一、以太网协议格式
网络层的数据交付给数据链路层，经过数据链路层封装后的数据统称为数据帧。数据链路层采用的是以太网协议，则称为以太网帧；采用PPP协议，则称为PPP帧；采用WiFi协议，则称为WiFi帧
此处介绍的是以太网协议，即以太网帧。以太网协议采用的是定长报头，14字节。
- 目的地址：目标主机的MAC地址
- 源地址：当前主机的MAC地址
- 类型：标识数据中封装的网络层协议类型，例如IP协议、ARP协议、RARP协议
- 数据：网络层数据
- CRC：检测数据帧在传输过程中是否发生比特错误
二、局域网通信
以太网是数据链路层最常用的协议之一，主要用于有线局域网的通信。
假设同一个局域网中存在主机1~6，主机1想要给主机6发送数据，要经过如下步骤：
- 主机1网络层：将网络层数据交给数据链路层
- 主机1数据链路层：网卡对网络层数据进行封装，称为数据帧，并将数据帧交给物理层
- 主机1物理层：网卡将数据帧转换成比特流，再使用物理编码将比特流转换为光/电信号后交给物理传输介质（光缆、电缆）
- 其他主机物理层：局域网中的所有主机的网卡都能收到光/电信号，将光/电信号转换为比特流。网卡再解析比特流，将比特流转换为数据帧，最后将数据帧交给数据链路层
- 其他主机数据链路层：提取数据帧报头，对比目的地址和当前主机的MAC地址。MAC地址相同，则去除数据帧报头得到网络层数据，将网络层数据交给网络层；MAC地址不相同，直接丢弃该数据帧。
- 主机6数据链路层：MAC地址相同，去除数据帧报头，将余下的网络层数据交给网络层
三、碰撞避免
由于局域网中多台主机共享同一个传输媒介，数据的光电信号在传输媒介中会相互干扰，即数据碰撞，而局域网也被称为碰撞域。因此局域网通信时不允许两台主机同时发送数据。
局域网引入了碰撞避免机制，如果发生数据碰撞，那么对应的主机会进行休眠，休眠时间结束后再进行数据重传。
四、MTU
MTU是数据链路层传输的数据帧的有效载荷最大字节数，不同的数据链路层协议规定的MTU不同，以太网协议规定的MTU是1500字节。假设传输层使用TCP协议(20字节报头)，网络层使用IP协议(20字节报头)，那么网络层交给数据链路层的数据最大只能是1460字节（不考虑协议选项）。对于超过MTU的数据，网络层例如IP协议会进行IP分片解决问题。
设置MTU的原因就是，发送较长的数据会导致占用共享传输介质的时间更久，发生碰撞的概率越大，因此要限制数据帧的大小。
五、交换机
尽管局域网中有碰撞避免算法减少数据碰撞，但是当同一个局域网中的数据越来越多时，发生数据碰撞的概率必然会增大，就会导致数据链路层要频繁地进行数据重传，造成网络卡顿（这也是为什么人多的地方网速慢地原因）
为了解决这个问题，引入了交换机。交换机的作用就是划分碰撞域，它将局域网的一整个大的碰撞域划分为多个小碰撞域，从而降低数据碰撞的概率。
例如一个局域网存在主机1~6，在该局域网中引入一个交换机，它将局域网这个大碰撞域划分为两个小碰撞域A和B，并且交换机有两个接口A和B分别连接碰撞域A和B。碰撞域A中是主机1~3，碰撞域B中是主机4~6。开始时交换机并不知道各个主机在哪一个碰撞域中，当主机1给主机6发送数据时，交换机本身也在局域网中，也会收到主机1发送的数据，它会将数据转发到碰撞域B中，同时记录接口A连接的碰撞域A中有主机1。通过这种方式，当主机之间发送数据时，交换机就可以知道每台主机分别在哪一个碰撞域中。如果主机1再对主机2发送数据，那么交换机就不需要对数据进行转发，因为它知道主机1和主机2再同一个碰撞域中。
通过交换机，将大碰撞域划分为多个小碰撞域，各个碰撞域之间相互隔离，只有经过交换机的转发才可以将数据发送到其他碰撞域。这样降低了数据碰撞的概率，不同碰撞域中的主机可以同时发送数据。