【计算机网络-数据链路层】以太网、MAC地址、MTU与ARP协议
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摘要：本文系统剖析数据链路层的核心机制，详解以太网技术标准及其帧结构，阐述MAC地址的作用与唯一性，并模拟局域网通信中帧转发与碰撞域的处理逻辑。通过MTU（最大传输单元）对IP、UDP、TCP协议的影响，解释数据分片与重组原理及网络性能优化策略。同时，探讨交换机划分碰撞域的原理与自学习功能，以及ARP协议如何通过广播与应答实现IP与MAC地址的动态映射，保障网络通信的精准性。全文覆盖数据链路层与网络层的关键交互，为理解局域网通信提供全面视角。
目录
数据链路层
认识以太网
以太网帧格式
mac帧是如何解包的？定长报头的策略
如何分用？根据类型字段（0800是IP数据报，就交给IP层，还有0806,8035）
认识 MAC 地址
认识 MTU
交换机--划分碰撞域
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
MSS 和 MTU 的关系
ARP 协议
ARP 协议的作用
ARP 协议的工作流程
ARP 数据报的格式编辑
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.
对比理解 "数据链路层" 和 "网络层"
数据链路实现某一个区间（一跳）内的通信，而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点），同一个网段（局域网）相互之间要实现转发，能直接通信。
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。
mac帧是如何解包的？定长报头的策略
如何分用？根据类型字段（0800是IP数据报，就交给IP层，还有0806,8035）
认识 MAC 地址
• 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)
模拟一次局域网通信，A想和G通信：报文会发给所有在局域网上的主机，发给B的时候，经过报头将和有效载荷分离，对比MAC帧的过程，由于目的MAC并不是MACB，因此在B的数据链路层就将报文丢弃，其他的也同理。G收到后报头后经过相同的过程，最后得到数据。
在局域网中，任何时候只允许一台主机在局域网中发送消息，一个局域网就叫做一个碰撞域，一旦发生碰撞，两主机之间执行碰撞避免算法（保证自己对临界资源的独占性），底层也会对数据帧进行重传。一个局域网中主机越多发生碰撞的概率越高。一旦局域网中，有大量主机发生碰撞，要缓解问题，需要用到交换机。数据帧的长度和碰撞概率的关系，越长越容易碰撞。因为越长，使用子网数据发送的周期更长。因此需要规定MTU。
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;
交换机--划分碰撞域
交换机转发的对象也是数据帧（交换机是数据链路层的设备），交换机内部有一套自己的算法，有接口，将一个子网划分成两个区域，当A发送数据时，交换机也会收到，并且会将数据帧转发给目的mac地址。也会记录A的mac地址，其他的主机在通信时，也会将数据帧交给交换机，交换机记录他们的mac地址，并且存下转发报文的地址，将子网划分成两个区域，有自学习功能。
未来，交换机收到报文后，就会识别，看目的地址是否在某一侧再做转发，比如说交换机收到报文A要到E，就不会将报文转发给C、D、G等，以此来减少碰撞，提高效率，A发消息的时候，C也能发。交换机也能碰撞检测，一边发生碰撞他就不会再转发了。
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
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
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（握手的时候） 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
虽然我们在这里介绍 ARP 协议, 但是需要强调, 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;但是arp是由链路层自动完成的，是属于数据链路层的
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
先广播，再mac正常通信
任何主机：
1.可能会收到arp应答
2.可能会收到arp请求
每一台主机都是一个协议栈，要发送arp请求的时候，需要重新封装mac帧。
封装好mac帧，再把mac帧放到局域网中：局域网中，所有主机都会收到这个报文。
假如现在主机B拿到了数据帧：先看oper字段发现是arp请求，又看dstIP字段，发现这个报文dstIP并不是给他的，在arp层将arp请求丢弃。其余同理
主机E收到数据帧，得到arp请求协议，先看oper是arp请求，再看dstIP是和E的IP是匹配的，因此就受理了这个请求。因此在自己的arp层构建好arp应答，再重新封装mac帧，因此再对arp应答添加报头，目的mac地址，源mac地址，帧类型（0806），再将该mac帧放到局域网。
这时候，经过广播除了R的其他主机将在mac帧就丢弃掉这个报文，因为此时的目的mac地址不再是FFF....而是确切 的macR。因此在主机R收到mac帧之后，将报头和数据先分开，在arp层仍然是先看oper，发现是arp应答，再看dstIP，确认是自己，此时主机R再直接提取，拿到IPE的ip地址以及mac地址。再封装mac帧，就可以单发给主机E，而不是再广播。
注意：为什么mac层还要再封装源mac，目的mac，这是因为arp层和mac层不是同一层，这里有解耦的作用，在逻辑上他们彼此看不到。但他们的作用是不同的，mac帧报头中的源mac，目的mac是用来做局域网通信的，是有功能性的，来做地址标识的。arp层中的就是数据，数据巧合了是mac地址而已。
• 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
ARP在每个子网都有，但是不会横跨网络
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
结语：
随着这篇博客接近尾声，我衷心希望我所分享的内容能为你带来一些启发和帮助。学习和理解的过程往往充满挑战，但正是这些挑战让我们不断成长和进步。我在准备这篇文章时，也深刻体会到了学习与分享的乐趣。
在此，我要特别感谢每一位阅读到这里的你。是你的关注和支持，给予了我持续写作和分享的动力。我深知，无论我在某个领域有多少见解，都离不开大家的鼓励与指正。因此，如果你在阅读过程中有任何疑问、建议或是发现了文章中的不足之处，都欢迎你慷慨赐教。
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