Linux15 数据链路层

什么是以太网

• “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

• 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（6个字节）,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（0800）、ARP（0806）、RARP（8035）;
• 帧末尾是CRC校验码

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12 个 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)
• 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。

MTU - 以太网最大传输单元

• MTU 是 Maximum Transmission Unit 的缩写，意为最大传输单元，它是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据报大小（以字节为单位）
• 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（随意填垃圾数据凑满46）
• 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;

网络层IP数据包分包（分片）

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 1, 否则置为 0);
• 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)

ARP 协议

ARP不是一个单纯的数据链路层协议，而是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

ARP 数据报格式

前面以太网目的地址和以太网源地址和帧类型属于以太网帧，后面所有字段占28字节，属于ARP协议部分

字段	长度（字节）	说明
硬件类型	2	网络类型，如以太网为 1
协议类型	2	如 0x0800 表示 IP 协议
硬件地址长度	1	以太网为 6
协议地址长度	1	IP 协议为 4
操作类型	2	如 1 为 ARP 请求，2 为 ARP 应答等
发送方硬件地址	6	发送方 MAC 地址
发送方协议地址	4	发送方 IP 地址
目标硬件地址	6	ARP 请求时为全 0，应答时为目标 MAC 地址
目标协议地址	4	目标 IP 地址