【网络】：数据链路层 —— 以太网协议

目录

数据链路层的概念

局域网技术 

以太网协议

以太网帧格式

MAC地址

MTU最大传输单元

ARP协议

ARP 协议的作用

ARP数据报的格式

ARP的工作原理

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数据链路层的概念

数据链路层是OSI（开放系统互联）模型中的第二层，位于物理层和网络层之间，主要负责在直接相连的节点（如交换机、路由器、主机）之间实现可靠且高效的数据传输。

• 传输层（TCP）：确保端到端的可靠传输，标识进程（端口），是应用开发的直接接口。

• 网络层（IP）：实现跨网络的逻辑寻址与路由，构建全球互联的基石。

• 数据链路层：解决相邻节点的本地通信，屏蔽物理介质差异，确保帧的准确投递。

解释： 

1. 网络层（IP）拥有将数据跨网络从一台主机送到另一台主机的能力，但IP并不能保证每次都能够将数据可靠的送到对端主机，因此网络层（IP）需要上层传输层（TCP）为其提供可靠性保证，比如数据丢包后传输层（TCP）可以让网络层（IP）重新发送数据，最终在传输层（TCP）提供的可靠性机制下网络层（IP）就能够保证将数据可靠的发送到对端主机。
2. 传输层（TCP）除了对下层网络层（IP）提供可靠性机制之外，传输层（TCP）对上还提供进程到进程的服务，我们在进行套接字（socket）编程时，本质就是在使用TCP或UDP为我们提供的进程到进程的服务。
3. 数据在网络传输时需要一跳一跳的从一台主机跳到另一台主机，最终才能将数据转发到目标主机，因此要将数据发送到目标主机的前提是，需要先将数据转发给与当前主机直接相连的下一跳主机，而两台主机直接相连也就意味着这两台主机属于同一网段，因此将数据转发到下一跳主机实际是属于局域网通信范畴的，而这实际就是链路层需要解决的问题。
4. 网络层（IP）提供的是跨网络发送数据的能力，传输层（TCP）是为数据发送提供可靠性保证的，而数据链路层解决的则是两台相连主机之间的通信问题（同一局域网内）。

 

局域网技术 

不同局域网所采用的通信技术可能是不同的，常见的局域网技术有以下三种：

• 以太网：基于CSMA/CD（早期）或全双工交换，使用MAC地址和帧结构（如Ethernet II格式）。

• 令牌环网：通过“令牌”控制介质访问，设备需获得令牌才能发送数据（已逐渐被淘汰，但曾用于IBM系统）。

• 无线局域网（Wi-Fi）：基于CSMA/CA避免冲突，依赖无线接入点（AP）连接设备。

• 其他技术：如FDDI（光纤分布式数据接口）、ATM（异步传输模式）等，但现代网络以以太网和Wi-Fi为主。

无论底层是何种局域网技术，IP层使用统一的IP地址标识设备（如192.168.1.1），IP层的核心价值：通过统一逻辑寻址（IP地址）和分层封装机制，屏蔽底层局域网技术差异，实现异构网络的互联互通。

假设数据从以太网局域网A → Wi-Fi局域网B → 令牌环网局域网C：

1. 局域网A（以太网）：

   • 主机封装以太网帧头（源MAC_A，目的MAC_路由器A）。

   • 路由器A剥离以太网头，根据目的IP选择下一跳为Wi-Fi网络。

2. 局域网B（Wi-Fi）：

   • 路由器A封装Wi-Fi帧头（源MAC_路由器A，目的MAC_AP）。

   • 路由器B（连接Wi-Fi和令牌环网）剥离Wi-Fi头，根据目的IP选择下一跳为令牌环网。

3. 局域网C（令牌环网）：

   • 路由器B封装令牌环网帧头（源MAC_路由器B，目的MAC_C）。

   • 目标主机C验证帧并解封装，最终获取原始数据。

也就是说，网络中的路由器会不断去掉数据旧的局域网报头，并添加上新的局域网报头，因此数据在进行跨网络传输时，就算所需跨越的网络采用的是不同的局域网技术，最终也能够正确实现跨越。

以太网协议

以太网 不是一种具体的网络，以太网是由IEEE 802.3定义的一组技术标准，涵盖数据链路层（MAC子层）和物理层（传输介质、信号编码等）。

• 数据链路层：帧格式（Ethernet II/IEEE 802.3）、MAC地址、CSMA/CD（传统半双工）。

• 物理层：电缆类型（双绞线、光纤）、接口标准（RJ45、SFP）、传输速率（10M/100M/1000M等）。

传输介质：

• 双绞线（如Cat5e/Cat6）：用于短距离传输（百米内），成本低。

• 光纤（单模/多模）：用于长距离（千米级）或高速（10G/40G/100G以太网）。

• 同轴电缆：早期以太网使用（10BASE5/10BASE2），已淘汰。

以太网中所有的主机共享一个通信信道，当局域网中的一台主机发出数据后，该局域网中的所有主机都能够收到该数据。

实际当主机A想要发数据给主机B的时候，该局域网内的其他主机也都收到了该数据，只不过除了主机B以外，其他主机识别到该数据并不是发给自己的，此时其他主机就把收到的数据丢弃了。

也就是说，在局域网（以太网）通信时，该局域网内所有的主机在底层其实都收到了该数据，只不过经过筛选后只提交上来了发给自己的数据。

扩展：

• 网络抓包不仅能够抓到发送给自己的报文数据，也能抓取到发给别人的报文数据，实际就是因为在进行网络抓包时，主机将从局域网中收到的所有报文数据都向上交付了而已。
• 网卡有一种模式叫做混杂模式，被设置为混杂模式的网卡能够接收所有经过它的数据流，而不论其目的地址是否是它。

以太网帧格式

以太网帧格式如下：

具体字段如下： 

1. 源地址（Source Address）和目的地址（Destination Address）字段

• 长度：各占 6字节（48位）。

• 目的地址：标识数据帧的目标设备的物理地址（MAC地址）。

• 源地址：标识发送数据帧的设备的物理地址（MAC地址）。

2. 类型字段（Type/Length）

• 长度：2字节。

• Ethernet II 帧：标识 上层协议类型，如：

  • 0x8100：802.1Q VLAN 标签。

  • 0x86DD：IPv6 数据包。

  • 0x0806：ARP 请求/应答。

  • 0x0800：IPv4 数据包。

• IEEE 802.3 帧：表示 数据字段长度（范围 0~1500），需结合 LLC 头标识协议。

• 判断规则：

  • 若值 ≥ 0x0600（1536），视为类型字段（Ethernet II）。

  • 若值 ≤ 0x05DC（1500），视为长度字段（IEEE 802.3）。

3. 数据字段（Data/Payload）

• 长度：46~1500字节（标准以太网 MTU），作用：承载上层协议（如 IP、ARP）的数据。

• 最小长度：46字节。若上层数据不足，需填充至46字节（如 TCP 握手包）。

• 最大长度：1500字节（标准 MTU）。

• 填充机制：发送方自动填充无用数据，接收方根据上层协议头部中的长度字段去除填充。

4. CRC字段（Frame Check Sequence, FCS）

• 长度：4字节

• 作用：通过 CRC-32 校验算法 检测帧在传输过程中是否发生比特错误。

• 校验范围：覆盖 目的MAC、源MAC、类型字段、数据字段。

• 处理规则：

  • 接收方计算校验值，若与 FCS 不匹配，直接丢弃帧，不通知发送方。

  • 错误恢复依赖上层协议（如 TCP 重传）。

 MAC帧如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？ 

以太网MAC帧对应的上层协议不止一种，因此在将MAC帧的报头和有效载荷分离后，还需要确定应该将分离出来的有效载荷交付给上层的哪一个协议。

在MAC帧的帧头当中有2个字节的类型字段，因此在分离出报头和有效载荷后，根据该字段将有效载荷交付给对应的上层协议即可。

1. 检查MAC地址：确认帧是否为本机接收。

2. 解析类型/长度字段：

   • 若为EtherType（≥1536），直接匹配协议。

   • 若为长度字段（≤1500），解析LLC/SNAP获取协议类型。

3. 向上层传递：根据协议类型调用对应处理模块（如IP栈、ARP等）。

MAC地址

MAC 地址主要用于在同一个局域网（如以太网）内进行设备到设备的直接寻址。它的作用范围局限于本地网络链路，例如在一个办公室的局域网或者家庭 Wi - Fi 网络中。当数据在局域网内传输时，交换机等数据链路层设备根据 MAC 地址来确定数据帧的转发路径，将数据从源设备准确地发送到目的设备。

MAC 地址是物理地址，它通常固化在网络设备的网卡中。在设备生产过程中，由设备制造商分配。MAC 地址的前 24 位（3 字节）是组织唯一标识符（OUI），用于识别网络设备的制造商；后 24 位（3 字节）是由制造商分配的唯一编号，用于区分同一制造商生产的不同设备。

MAC 地址长度为 48 位，通常采用十六进制表示法，每两个十六进制数字表示 1 字节，中间用冒号或连字符分隔。例如，00:1A:2B:3C:4D:5E 或 00 - 1A - 2B - 3C - 4D - 5E。

我们可以通过ifconfig命令来查看我们的MAC地址。

注：MAC地址前面的单词ether就是以太的意思

• 源 MAC 地址（Source MAC Address）：它是发送数据的网络设备（如计算机网卡、网络交换机端口等）在局域网（LAN）中的物理地址。MAC 地址也被称为硬件地址，是由网络设备制造商固化在设备中的一个 48 位二进制数，通常表示为 12 位的十六进制数，例如 “00 - 1B - 44 - 11 - 3A - 0C”。这个地址在全球范围内是唯一的，用于在局域网环境中标识数据的发送端。
• 目的 MAC 地址（Destination MAC Address）：它是接收数据的网络设备在局域网中的物理地址，同样是一个 48 位的二进制数，用于在局域网中标识数据的目标接收端。
• 有些数据的传输都是跨局域网的，数据在传输过程中会经过若干个路由器，最终才能到达对端主机。

源MAC地址和目的MAC地址是包含在链路层的报头当中的，而MAC地址实际只在当前局域网内有效，因此当数据跨网络到达另一个局域网时，其源MAC地址和目的MAC地址就需要发生变化，因此当数据达到路由器时，路由器会将该数据当中链路层的报头去掉，然后再重新封装一个报头，此时该数据的源MAC地址和目的MAC地址就发生了变化。

因此数据在传输的过程中是有两套地址：

• 一套是源IP地址和目的IP地址，这两个地址在数据传输过程中基本是不会发生变化的（存在一些特殊情况，比如在数据传输过程中使用NAT技术，其源IP地址会发生变化，但至少目的IP地址是不会变化的）。
• 另一套就是源MAC地址和目的MAC地址，这两个地址是一直在发生变化的，因为在数据传输的过程中路由器不断在进行解包和重新封装。

MTU最大传输单元

• MTU 是数据链路层协议规定的单次传输数据的最大有效载荷长度（单位为字节），由底层物理介质和网络技术决定。

• 核心作用：确保数据帧在物理网络中可靠传输，避免因数据过长导致传输失败或效率降低。

常见网络类型的MTU

网络类型	MTU（字节）	说明
以太网（Ethernet）	1500	最常见的局域网标准，如家庭/企业网络。
PPPoE（宽带拨号）	1492	因PPPoE头部占用8字节，MTU需减少。
Wi-Fi（802.11）	1500	与以太网相同，但可能因加密开销调整。
Jumbo Frame	9000	巨型帧，用于高性能网络（需设备支持）。

 为什么以太网MTU是1500字节？

• 历史原因：早期以太网设计时，为平衡传输效率和错误率，选择1500字节作为最佳值。

• 兼容性：沿用至今，成为行业标准，确保设备间互通性。

如何查看和修改MTU？

 查看MTU：

# Linux
ifconfig eth0 | grep mtu# Windows
netsh interface ipv4 show subinterfaces

修改MTU：

# Linux
ifconfig eth0 mtu 9000# Windows（需管理员权限）
netsh interface ipv4 set subinterface "以太网" mtu=9000 store=persistent

 

ARP协议

在局域网（LAN）中，通过已知的 IP地址 解析出对应的 MAC地址，实现数据链路层的直接通信。

• 所属层：介于 网络层（IP） 与 数据链路层（MAC） 之间的协议，通常归类为网络层协议。

• 核心功能：建立和维护 IP-MAC映射表（即ARP缓存表）。

ARP 协议的作用

ARP协议的核心作用：在局域网（LAN）中，通过已知的IP地址解析对应的MAC地址，实现网络层（IP）到数据链路层（MAC）的地址映射，确保数据能够封装成帧并正确送达目标设备。

在同一个局域网中要给对方发消息，就必须得知道对方的MAC地址，而我们只知道对方的IP地址，因此需要通过ARP协议来根据IP地址来获取目标主机的MAC地址。 

• 网络层使用IP地址进行逻辑寻址（如192.168.1.100），但数据链路层实际通信依赖MAC地址（如00:1C:C4:AA:BB:CC）。

• 若设备仅知道目标IP地址而不知其MAC地址，无法直接发送数据帧。

总结：ARP协议是局域网通信的“翻译官”，通过动态绑定IP与MAC地址，确保数据从网络层精准传递至数据链路层目标设备。

ARP协议的分层

在TCP/IP四层模型中，协议的分层设计并非严格的“垂直分层”，同一层内的协议可能承担不同功能模块，形成逻辑上的层级关系。

在OSI模型中，ARP协议属于链路层。但在TCP/IP模型中，ARP协议属于网络层。

• MAC帧协议：数据链路层的基础协议，负责将网络层传递的数据封装成帧（添加源/目标MAC地址、帧校验等），并通过物理介质传输。

• ARP：数据链路层的辅助协议，用于解决地址映射问题（将IP地址解析为MAC地址）。

  • 与MAC帧的关系：

    • 逻辑上层：ARP/RARP报文需封装在MAC帧中传输，其EtherType字段为0x0806（ARP）或0x8035（RARP）。

    • 功能依赖：MAC帧为ARP/RARP提供传输载体，ARP/RARP为网络层（IP）提供地址解析服务。

分层示意图如下：

  ┌─────────────────────┐│      网络层（IP）     │ ← 依赖ARP获取MAC地址└─────────────────────┘↓┌─────────────────────┐│  ARP/RARP协议        │ ← 逻辑上属于数据链路层，但为IP层提供服务└─────────────────────┘↓┌─────────────────────┐│  MAC帧协议           │ ← 承载ARP/RARP报文└─────────────────────┘

• MAC帧是数据链路层的传输载体，ARP/RARP是其上层协议，负责地址解析。

• IP是网络层的传输核心，ICMP/IGMP是其上层协议，扩展控制和管理功能。

• 协议分层的关键在于功能解耦，而非物理层级隔离。同一层内协议通过协作，共同实现该层的核心目标（如数据链路层的直接通信、网络层的端到端传输）。

ARP数据报的格式

 ARP报文直接封装在 以太网帧 的数据部分，其结构固定为 28字节，若不足以太网要求的最小数据长度（46字节），需填充至46字节。以下是ARP报文的字段组成：

字段名称	长度（字节）	说明
硬件类型（Hardware Type）	2	底层网络类型： 1 ：以太网（Ethernet）。 6：IEEE 802网络（Wi-Fi等）。 15：帧中继（Frame Relay）。
协议类型（Protocol Type）	2	上层协议类型： 0x0800 表示IPv4，0x86DD 表示IPv6。
硬件地址长度（HLEN）	1	MAC地址长度： 以太网为 6（即6字节）。
协议地址长度（PLEN）	1	IP地址长度： IPv4为 4，IPv6为 16。
操作码（Operation）	2	报文类型： 1 为ARP请求（Request），2 为ARP响应（Reply）。
发送方MAC地址（Sender MAC）	6	发送方的MAC地址（如 00:1C:C4:AA:BB:CC）。
发送方IP地址（Sender IP）	4	发送方的IP地址（如 192.168.1.1）。
目标MAC地址（Target MAC）	6	目标设备的MAC地址： ARP请求中为 00:00:00:00:00:00（全0）。
目标IP地址（Target IP）	4	目标设备的IP地址（如 192.168.1.2）。

 

ARP的工作原理

ARP（地址解析协议）的工作原理可概括为 “一问一答” 的广播-单播交互过程，核心是通过 动态查询 建立 IP地址与MAC地址的映射关系。以下是详细步骤解析：

1. PC1需要发送数据给PC2（IP已知，MAC未知）│↓
2. PC1检查ARP缓存 → 无记录 → 触发ARP请求│↓
3. PC1广播ARP请求："Who has 192.168.1.2? Tell 192.168.1.1"│↓
4. PC2单播响应："192.168.1.2 is at 00:1C:C4:DD:EE:FF"│↓
5. PC1和PC2更新ARP缓存 → 后续通信直接使用MAC地址

1. 触发条件

当设备（如PC1）需要向同一局域网内的另一设备（如PC2）发送数据时：

• 已知：目标IP地址（如192.168.1.2），未知：目标MAC地址。

• 触发ARP请求：若PC1的ARP缓存表中无192.168.1.2对应的MAC地址，则启动ARP解析流程。

2. ARP请求（广播）

（1）构造ARP请求包：

• 硬件类型（Hardware Type）：1 以太网（Ethernet）
• 协议类型（Protocol Type）：0x0800 表示IPv4
• 硬件地址长度（HLEN）：MAC地址长度，以太网为 6（即6字节）。
• 协议地址长度（PLEN）：IP地址长度，IPv4为 4
• 操作类型：1（ARP请求）
• 发送方MAC：MAC地址（00:1C:C4:AA:BB:CC）
• 发送方IP：PC1的IP地址（192.168.1.1）
• 目标MAC：00:00:00:00:00:00（全0，表示未知）

• 目标IP：192.168.1.2。

（2）封装为以太网帧：

• 目标MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播地址）。

• 类型字段：0x0806（标识ARP协议）。

• 数据字段：28字节的ARP请求包 + 18字节填充（满足以太网最小数据长度46字节）。

（3）广播发送：交换机将帧广播到局域网内所有设备（除源端口外）。

3. ARP响应（单播）

（1）设备接收并处理请求：

• 所有设备收到广播帧，检查目标IP：

  • IP不匹配：丢弃帧。

  • IP匹配（如PC2的IP为192.168.1.2）：继续处理。

（2）构造ARP响应包：

• 硬件类型（Hardware Type）：1 以太网（Ethernet）
• 协议类型（Protocol Type）：0x0800 表示IPv4
• 硬件地址长度（HLEN）：MAC地址长度，以太网为 6（即6字节）。
• 协议地址长度（PLEN）：IP地址长度，IPv4为 4
• 操作类型：2（ARP响应）
• 发送方MAC：MAC地址（00:1C:C4:DD:EE:FF），B_MAC
• 发送方IP：PC2的IP地址（192.168.1.2），B_IP
• 目标MAC：MAC地址（00:1C:C4:AA:BB:CC），D_MAC
• 目标IP：PC1的IP地址（192.168.1.1），D_IP

（3）封装为以太网帧：

• 目标MAC：PC1的MAC地址（单播），D_MAC

• 类型字段：0x0806。

• 数据字段：28字节的ARP响应包 + 18字节填充。

（4）单播发送响应：PC2直接向PC1的MAC地址发送帧。

4. 更新ARP缓存

（1）PC1接收响应：

• 解析响应包，提取PC2的IP-MAC映射（192.168.1.2 → 00:1C:C4:DD:EE:FF）。

• 将映射存入本地ARP缓存表，默认存活时间 15~20分钟。

（2）PC2更新缓存：

• PC2在处理ARP请求时，已记录PC1的IP-MAC映射（192.168.1.1 → 00:1C:C4:AA:BB:CC）。

5. 后续通信

• PC1直接使用缓存中的PC2的MAC地址封装数据帧，无需再次触发ARP请求。

总结

ARP协议通过 广播请求-单播响应 机制，动态维护IP与MAC的映射关系，是局域网通信的基石。理解其工作原理，有助于快速定位网络层与数据链路层的连通性问题（如无法上网、IP冲突）。实际应用中，结合抓包工具（如Wireshark）可直观观察ARP交互过程。

设备能连接局域网（如内网服务器可访问），但无法访问互联网（如无法打开网页）。

根本原因

• 无法获取网关MAC地址：设备需通过默认网关将数据转发到外网，若ARP无法解析网关的MAC地址，数据链路层无法封装目标MAC，导致数据无法发出。

• 常见故障点：

  1. 网关ARP条目缺失：本地ARP缓存中无网关的IP-MAC映射。

  2. 网关未响应ARP请求：网关设备故障、IP配置错误或被防火墙拦截。

  3. 本地ARP缓存错误：缓存中网关MAC地址错误（如被ARP欺骗篡改）。