网络原理——数据链路层

网络原理——数据链路层

在TCP/IP协议栈中，一共有五层，我们是按照自顶向下的方式学习的！
我们现在可以忽略掉物理层的学习(主要以了解为主)，我们来学习最后一层——数据链路层！

网络层 vs 数据链路层

如下图所示，这里展示了一个简单地网络拓扑结构：

上一次，我们在网络层中，将网络数据传输的时候：
本质是从一个子网到另一个子网！IP地址标识的是两台主机在网络拓扑结构的具体位置。
👉所以，假设B -> C，就得一跳一跳地经过一个个的子网。
👉假设选定好一条路：B要到C，就得依次经过路由器F G H C D，最后再交给C

上述的“一条一跳的逻辑”，其实是因为网络是被设计好的，再配合IP协议的使用，所以：
网络层实际上解决的：是从一台主机到另一台主机的通信路线选择的问题！

但是，具体到如何从一个主机跳到下一个主机(路由器)，这个是怎么做到的，这就是数据链路层要做的事情！这是属于局域网通信的范畴！

我们可以举一个比较形象的例子：
假设自驾旅游，从广州出发去北京
我们肯定会经过很多的省份，当然路线的选择有很多条 -> 对应的就是路由选择路线多条！
广州和北京是起点和终点 -> 相当于IP地址
期间可能会经过一个个的城市，这就相当于是一个个的中间节点！

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有了起点和终点 -> 能够决定总体的路线规划(导航)
具体的路线是按照一个个节点走的！

数据链路层解决的，就是如何在一个子网内，从一个节点跳到另一个节点！

网络传输中不同层级的配合

虽然我们还没有讲数据链路层的具体实现，但是，我们已经知道这一层的作用了。
至此，TCP/IP协议栈的上面四层我们都已经知道他们的功能了！

我们现在就可以来理解一下，这四层是如何进行配合工作的！

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下面，我们通过一张图来解释层级之间的作用：

总的来说就是：
应用层根据具体的业务，制定应用层协议。用于实现一些功能。
然后将报文向下传输传输层的协议用于保证数据安全可靠的传输。但是具体在网络中传输的时候，需要由网络层来规划具体路径，提供的是方法。具体走是让数据链路层来做的！
同时，因为在网络中的传输，可能因为一些原因导致丢包，变得不可靠！所以要传输层通过一系列的传输控制来保证可靠性！

认识以太网

数据链路层，解决的是局域网中两台主机的通信问题！
我们早已知道：目前主流的局域网通信方法有三种，分别是：以太网，无线LAN，令牌环网！

目前用到最广泛的就是以太网！所以，这个部分将重点讲解以太网！

以太网帧格式

在上一节将网络原理的时候：我们认为在网络传输的是IP报文！但其实这是不对的。
因为报文从应用层自顶向下传输。是需要进行封装报头的！数据链路层也有协议，也需要封装报头！所以，单纯认为在网络中传输的是IP报文就错了！

其实，局域网的通信过程我们早在学习网络基础的时候就已经说过了：

在局域网内使用MAC地址(写在硬件设备上的)通信的。当然，一台主机发送到以太网的数据，其他的主机也都能看到！(只不过是判断到dstMAC地址和自己不一样，直接丢弃罢了)。

所以，在网络中传输的，其实不是IP报文！而是一个MAC数据帧！
(当然有办法可以绕过MAC地址，但是这里我们就不考虑了)

这里我们先不管ARP和RARP的帧格式，我们只看最长的那个！

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;
类型代表的是交付给上层的协议，基本上都是IP协议，协议号为0800(HEX进制)。
帧末尾是CRC校验码。了解即可。

除去首尾，剩余部分就是数据链路层的有效载荷！
这个数据部分可能是IP报文，也可能是ARP，RARP报文。

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面对一种协议，我们还是问出那两个问题:
1.如何分离报头和有效载荷？
2.如何分用？

其实答案早已经在上面显现出来了：
①由图可知：以太网帧的报头部分，是定长的！长度6 + 6 + 2 + 4 = 18字节。
未来收到一个以太网帧，从前往后提取14字节， 从后往前提取4字节，剩下就是有效载荷！

②分用，其实就是如何解包后传递给上一层的具体协议！
前面已经说过了，类型字段就是表示上一层的交付协议的！一般是IP协议(0800)。

MAC地址

虽然我们已经在网络基础部分了解过局域网通信了，也知道了MAC地址。
但是这里还是再来复习一下：‘

• 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)

我们还是以下面这个例子来理解MAC地址和IP地址的区别：

认识MTU和MSS

我们观察以太网帧格式中的数据部分：
我们可以很清楚的看到： 数据部分的大小是46 ~ 1500字节，是有上限和下限的！

其中，上限1500，也被称为MTU(​Maximum Transmission Unit)，最大传输单元！
也就是说，对于数据链路层来说，它能够携带的数据范围，不能超过MTU。

上篇文章讲到：
传输层(如果使用TCP)是不管数据边界的，只负责把数据传输下来，数据链路层只能接收MTU以内的数。所以，在网络层的时候，如果发现超出范围了，就需要网络层进行IP报文的分片，再向下传输进行封装。

也还说了：为了尽可能减少的分片，传输层需要控制一下单次有效载荷数据的大小，经计算得到1460！
这个数字就是MSS(Maximum Sgement Size)，最大段尺寸！

MTU对上层的影响

我们先不去理解为什么数据链路层为什么要设置MTU这个最大传输单元。
我们以结果出发，理解一下MTU这个值对上层的一些影响！

对网络层IP协议的影响

网络层基本上就是IP协议，所以我们来看看MTU对IP协议的影响！

其实在讲解IP协议时候，讲到报文分片的内容：
当整个IP报文长度过长的时候，即超过MTU，网络层是需要对IP报文做分片的！

具体的如何分片组装，我们早已讲过，参考：
网络层认识——IP协议 -> IP分片

对传输层TCP的影响

其实，在网络传输中来说：IP报文分片不是主流！

原因其实很好理解：

1.增大丢包的概率(只要有一个分片丢失就是丢包)
2.分片/组装耗费时间

既然是如此，所以TCP就会控制单次发送报文的有效载荷大小(<= MSS):
TCP报头不包含选项 && IP报头不包含选项的情况下，这两个报头都是定长20byte！
所以MSS = MTU - 40 = 1460！(默认情况)。

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MSS协商：
首先要说明的是，MTU这个值并不是一成不变的！是可以进行动态调整的。
👉 这就导致了，通信的双方的MTU大小是不同的！
👉 问题：如果A的MTU大于B的，那A按照自己的标准发送，那B端接收不还是得分片？

在实际通信过程中，确实会有这样的问题！但是有解决方案！
如果说，A和B都能够提前知道对方的MTU大小，不就可以在自己这一端的传输层控制了吗？

那对于TCP来说：什么时候可以进行这样的沟通呢？ 答案很明显 -> 建立连接三次握手时！
双方在发送 SYN 的时候会在 TCP 头部写入自己能支持的 MSS 值，然后经过建立连接后，双方就知道了两边的MTU大小！然后双方会取两个MTU的更小的那一个，作为通信的MTU！

Tips: MSS 的值就是在 TCP 首部的 40 字节变长选项中(kind=2);

对传输层UDP的影响

对于UDP来说，其实就简单的多了。
首先，UDP的报头是定长8字节(UDP没有选项字段)，IP报头20字节，
所以UDP报文能够发送的最大数据量应该是：1500 - 8 - 20 = 1472字节。

如果超过1472这个数字(一般情况下)，就需要对IP数据报进行分片：
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。

查看硬件地址及MTU

既然说，硬件地址是MAC，是早就写好在设备上的。我们是否能够查找呢？
还有，我们是否可以通过指令查询到MTU的大小，验证确实是1500？

答案很简单，通过指令ifconfig就可以查询出来，如下图所示：

理解以太网帧数据的上下限

前面我们从结论入手，在已经知道了MTU的情况下，理解了当MTU存在的情况下，对网络通信的一些影响！但是，我们没有搞清楚，为什么要存在这样的上下限！

首先，我们需要回到以太网的通信过程上，重新探究几个细节：

问题一：上述的通信过程中，为什么主机A要把数据交给主机E?
答案是路由决定的！

报文从上至下传输，到数据链路层前，需要先经过网络层！
路由器存在路由表，本质是主机存在！我们自己的电脑也是可以有路由表的：

在网络层中，就可以判断目的主机的IP地址是否是当前子网的了！
所以，所谓的路由决定，其实分为两个方面：
①是否要经过路由器？如果处在同一个子网，就向下封装MAC帧，直接向目标主机发送！
②如果需要经过路由器，就需要向下封装MAC帧，向对应的子网出口路由器发送！

问题二：局域网如果同时存在两台主机发送数据怎么办？
这个问题早在网络基础部分的时候就已经说过了：
以太网的本质，就是一个碰撞域！如果同一时间内有多个主机发送数据，必然导致数据碰撞！

所以，为了保证在以太网内的数据传输安全和可靠，就需要实现一种方式：
能够让以太网内的多台主机，在一段时间内：只有一台主机向以太网发送数据！
所以，以太网就是一个巨大的“临界资源”，我们可以把在同一以太网内的主机当作多个线程！

👉所以，以太网采取了多种措施，就是为了保证同一段时间内只有一台主机发送！

所以我们现在来思考：
在以太网中发送的数据能够过长吗？
当然是不太好的！因为数据过长，那么发送时间就变长 -> 数据碰撞的概率就变大 -> 碰撞需要重传 -> 影响传输效率 -> 数据长度不能过长

那如果太短呢？
其实太短也不好！假设我要发送1000个字节给对方主机，但是我拆成1个字节一个字节给对方发送，这也是很低效的！ -> 发送时间整体也会变长 -> 碰撞概率增大

综上所述：
传输给数据链路层的数据报文，不能太长，也不能太短 -> 以太网帧数据大小有上限和下限！

只不过这个具体的上下限值，是46 ~ 1500。不用管这个数据是怎么来的，这个数据能拿出来必定是经过大量的数据测试，外加严格证明的！

ARP协议

我们在前面讲以太网帧格式的时候，有一个部分没讲，就是以太网帧是不仅仅是可以携带数据，还可以是ARP协议！如下图所示：

ARP协议地位

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！

我们通过一张图来理解它所处的位置：

ARP协议是处在以太网上层的另一种协议！
其实每一层都会有很多的协议，我们在学习的时候选择了最经典的、必学的协议来理解。

Tips：其实还有一个ARAP协议，但是现代网络已经很少用了，这里就不讲了！！！

ARP协议的作用

]我们现在肯定会有一个问题，我们上面不是讲完了数据链路层吗？
这里再讲多一个ARP协议是为什么？有什么作用吗？

其实，前面我们还遗留着一个没有讲解的问题：

1.网络是从一个子网到另一个子网！
2.在网络中传输的，其实是MAC帧！

而目前来说，我们只能从路由表上知道的是各个节点的IP地址。但是，在网络中跑的是MAC帧，可是我们并不知道下一跳的MAC地址啊？怎么传输过去呢？

我们从几个方面来理解为什么网络中传输的是用MAC地址：
1.局域网技术出现的更早！网络是在局域网的基础上发展的！
2.各种硬件设备，如网卡、集线器只认识MAC地址

所以，我们需要了解，如何解决这最后一个问题：
即我怎么知道下一跳的MAC地址呢？(只知道下一跳IP地址的情况下)。

直接说结论：
使用ARP协议就可以实现由IP地址解析MAC地址！也称地址解析协议！
其实本质就是形成一个由IP地址和MAC地址的映射关系键值对！

ARP协议格式

我们首先要知道：
ARP协议并不是一个完全独立的协议，它是附加在以太网帧上的一个协议！
其实就是以太网帧的数据部分是ARP协议的报头！

ARP协议是不需要有效载荷的！因为不需要向上传输。

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我们来了解一下ARP协议的报头：

1.硬件类型指链路层网络类型，1为以太网。以太网很常用，所以这个位置基本就是固定为1。
2.协议类型指要转换的地址类型，0x0800 为 IP 地址。这个基本也是固定的。
3.硬件地址长度对于以太网地址为 6 字节。
4.协议地址长度就是IP地址的长度，一般为4(IPv4)。
5.op字段有两个取值：1代表这是ARP请求，2代表ARP应答。
6.发送端以太网地址 && IP地址，发送ARP协议报头的主机的MAC地址和IP地址。
7.目的以太网地址 && IP地址，接收该ARP协议报头的主机的MAC地址和IP地址。

上面简单介绍了一下ARP协议的报头的不同字段。
前面四个字段基本上是固定的，后序四个地址也是很好理解的。
我们需要重点关注的是op：它表示着，ARP报头，可能是请求，也可能是应答！

利用ARP获取MAC地址

假设现在数据送到了路由器D，进入到了路由器D和主机C所在的子网内，在只知道主机C的IP地址IPC的情况下，怎么获取对方的MAC地址，从而在子网内进行数据帧的转发呢？

我们把问题简单化：

我们就假设前面都已经能够通过某种方式获取MAC地址了马，传输到了路由器R，现在，我们路由器R拿着E的IP地址，应该怎么找到E的MAC地址，从而把数据发送给对方。

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R发送请求，其他接收：

如下图所示：路由器R做了三件事情：

①形成ARP请求报文，填充字段
②封装为MAC帧
③发送到以太网

需要说的是：
在ARP请求报文中，目的主机的是不知道的，是要获得的。不知道的情况下设置的是全1！
封装为以太网帧的时候，因为目的地址也是不知道！也是设置为全1。

其实，全1的地址都是被称为广播地址的！没错，就是我们在学习IP网络划分的时候的那种广播，就是所有主机都要受理！如果是某个具体的主机的MAC地址，那么其他主机接收到这个报文后会直接丢弃，因为和自己的MAC地址匹配不上！

报文就这么发送到以太网中，且是通过广播发送，所有主机进行受理！
所有的主机接收这个报文，首先需要判断这个ARP报文是请求还是应答！-> 看op字段即可。
一旦发现这个是一个请求报文，就需要把MAC帧报头脱离，然后检查目的主机IP地址是否和自己的一样，如果一样就留下处理，反之丢弃！

所以，在上述路由器R发送给主机E的时候，只有E在判断IP地址和自己一样，把这个ARP请求留下，其他主机直接丢弃了！

最后检查目的MAC地址，发现是全1，说明是在请求这台主机的MAC地址！所以，这个时候，主机E就要想办法把自己的MAC地址返回给发送端的主机了(这里是路由器R)！

E发送应答，其他接收：

所以，主机E需要做一下几件事：

①形成ARP应答报文，填充字段
②封装为MAC帧
③发送到以太网

首先，这一次目的MAC地址不是全1了，所以不是所有的主机都会受理！这一次目的主机是MACR，所以说，这个应答只有主机R能够收到！
其次，看OP字段，OP = 2，说明是一个ARP的应答！说明有主机返回了自己的MAC地址了！
最后看源MAC和IP地址，发现是主机E的MAC地址，所以，这个时候就知道是主机E发来的！
至此，主机R就成功获得了下一跳主机的MAC地址！

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此时，路由器R手握着IPE和MACE，这个时候就把IP报文重新封装一个MAC帧，发送给主机E即可！这样，路由器就完成了：获取MAC -> 数据转发的过程！

ARP的细节部分

我们已经了解了ARP是怎么样来获取到对方主机的MAC地址的，完成IP地址到MAC地址的转化。但是，现在还有两个问题：
1.只有进入子网的路由器到内部主机这一步需要使用ARP吗？
2.每次转发报文的时候，都需要先做ARP报文的交换吗？

问题一：
答案当然不是！上面是为了理解方便，才拿路由器转发给主机E做例子解释。
但其实，主机这个概念还是比较广泛的，不仅仅是电脑、也可以是路由器！

我们上面说的问题本质是：一台主机要路由到下一台主机的时候，只能通过路由表查到下一跳的IP地址，而不知道MAC物理地址，不知道物理地址就没办法把数据传输过去！

所以，其实这个问题是存在所有的两个节点之间的！

问题二：
每次都做ARP报文交换，这个效率非非常低！
所以，每个主机会存在一个时间段内，会把最近一段时间内做的ARP获得的IP与MAC的映射关系缓存到本地！这个时间是分钟级的，大概是15~20mins！

为什么不直接全部缓存起来？
答案是，根本没必要！

以下是几个具体原因：

1.浪费路由器内部存储空间
2.主机的IP地址是动态划分的！重新登陆一次就变了，那原来的映射关系就作废了。
3.主机的用户可能会更换网卡设备，MAC地址也变了，那原来的映射关系也是作废。
4.有些主机可能只通信一两次就不再通信了，那存储了也没意义！

所以，在一段时间内存储即可！下次要用了就再使用ARP协议申请。