【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】数据链路层

1 -> 数据链路层

2 -> 对比理解“数据链路层”和“网络层”

3 -> 以太网

3.1 -> 以太网的帧格式

4 -> 认识MAC地址

4.1 -> 对比理解MAC地址和IP地址

5 -> 认识MTU

5.1 -> MTU对IP协议的影响

5.2 -> MTU对UDP协议的影响

5.3 -> MTU对TCP协议的影响

5.4 -> 查看硬件地址和MTU

6 -> ARP协议

6.1 -> ARP协议的作用

6.2 -> ARP协议的工作流程

6.3 -> ARP数据报的格式

1 -> 数据链路层

数据链路层是OSI模型的第二层，它负责在相邻节点之间的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层的主要功能包括帧同步、差错检测和纠正、流量控制以及链路管理。它通过将网络层传递的数据包封装成帧，并添加必要的控制信息(如源地址和目标地址)来实现这些功能。数据链路层还负责在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务，确保数据能够可靠地从一个网络实体传输到另一个网络实体。

总的来说，数据链路层就是用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

2 -> 对比理解“数据链路层”和“网络层”

数据链路层和网络层是计算机网络中的两个关键层次，它们在OSI模型中分别对应第二层和第三层。数据链路层主要负责在相邻节点之间建立、维护和终止数据链路连接，确保数据帧的可靠传输，而网络层则负责在多个网络之间进行数据包的路由和转发，确保数据能够从源主机传输到目标主机。

以下是数据链路层与网络层的对比表格：

对比维度	数据链路层	网络层
模型层次	OSI模型的第二层	OSI模型的第三层
主要功能	帧的封装、流量控制、差错控制	路径选择、逻辑地址寻址、数据分段
寻址方式	物理地址(MAC地址)	逻辑地址(IP地址)
传输单元	数据帧	IP数据包
协议	以太网、WiFi等	IP协议、路由协议(如RIP、OSPF等)
传输范围	同一网络或局域网内的点对点通信	跨网络的通信和数据包的路由
差错检测与纠正	采用校验码等机制	使用IP头部校验和等机制
流量控制	控制发送速率以匹配接收能力	不直接处理流量控制，但路由算法可能考虑网络拥塞
路由选择	不负责路由选择，依赖网络层	负责确定数据包的最佳传输路径
分片与重组	不涉及数据包的分片与重组	在必要时对数据包进行分片，并在接收端重组
安全性	不直接处理网络安全问题	网络安全技术用于保障数据在网络层的安全传输

通过对比表格，我们可以看出数据链路层和网络层在计算机网络中扮演着不同的角色。数据链路层关注的是物理连接的可靠性和错误控制，而网络层则关注的是跨越多个网络的数据包路由和传输。在设计和实现网络通信系统时，理解这两层的功能和相互作用对于确保数据的正确、高效传输至关重要。

3 -> 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。

3.1 -> 以太网的帧格式

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，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。

4 -> 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。MA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)。

4.1 -> 对比理解MAC地址和IP地址

以下是MAC地址与IP地址的对比表格：

对比维度	MAC地址	IP地址
类型	物理地址	逻辑地址
长度	48位(6个字节)	IPv4为32位(4个字节)，IPv6为128位
分配依据	由制造商分配，全球唯一	由网络管理员或自动分配系统分配，可动态或静态
可变性	通常固定，但可修改	可根据网络配置和需求更改
工作层级	数据链路层(第二层)	网络层(第三层)
寻址方式	物理网络接口标识	网络中的主机或网络标识
传输单元	数据帧	IP数据包
应用范围	局域网内设备通信	跨网络通信，互联网寻址
差错检测与纠正	不直接处理，依赖于数据链路层协议	IP头部校验和等机制
安全性	不直接处理网络安全问题	网络安全技术用于保障数据安全传输
地址表示	十六进制表示	IPv4使用点分十进制表示法，IPv6使用冒号分割的十六进制数

通过对比表格，您可以清晰地看到MAC地址和IP地址在计算机网络中的不同角色和特性。MAC地址主要用于局域网内设备的直接通信，而IP地址用于在更广泛的网络中寻址和路由数据包。

5 -> 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。

5.1 -> 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。

5.2 -> MTU对UDP协议的影响

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。

5.3 -> MTU对TCP协议的影响

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

5.4 -> 查看硬件地址和MTU

使用ifconfig命令，即可查看IP地址，MAC地址，和MTU。

6 -> ARP协议

地址解析协议(ARP)是一种用于将网络层的IP地址映射到数据链路层的物理地址(通常是MAC地址)的通信协议。在局域网中，ARP允许设备通过已知的IP地址来发现目标设备的MAC地址，以便直接在网络层进行通信。ARP通过发送ARP请求和接收ARP响应来建立和维护IP地址到MAC地址的映射表。

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。

6.1 -> 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。

6.2 -> 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。