文章目录

前言
一、MAC地址
二、一跳一跳的网络传输
三、以太网
四、ARP协议
- 4.1 ARP协议的作用
- 4.2 ARP协议的工作流程
五、MTU
总结

前言

又是新的一年，展望2023年，博主给大家带来了网络中数据链路层的重点总结，附上博主本人的实例，帮助大家更好的理解数据是怎么在网络中传输的。

一、MAC地址

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。

主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地址。
网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。

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。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。

特殊的MAC地址：

广播数据报：发送一个广播数据报，表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF

二、一跳一跳的网络传输

以下为主机B传输数据到主机C经过的网络设备：

对于以上经过的网络设备：

主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；
路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制；
节点：主机和路由器的统称；

集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用，不算在下一跳设备。

对于网络数据传输，不是想象中那样，数据直接从源主机到达目的主机，而是类似在地图中，从A到B的过程：

IP地址描述的是路途总体的起点和终点
而行进也必须一个地点一个地点的前进，由MAC地址来描述路途上每一个区间的起点和终点

总的来说：

IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点；是给网络硬件设备使用的网络物理地址。

三、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。

以太帧来进行数据的封装

以太帧真正的给到了网卡，让物理介质进行传输的数据：

经过网络层（IP协议）处理之后，我们根据路由表从长期目标（目标ip）计算出了短期目标（下一条ip）。但数据链路协议的目标地址需要的是一个mac地址，怎么把下一跳ip换成mac地址？

由配置路由表 + 路由计算算法来保证！！

四、ARP协议

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

上述遗留了一个问题：一台主机能否知道同一个LAN内其他主机IP -> MAC 的映射关系？

能，本机内部通过一张ARP表来进行维护

4.1 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；

4.2 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

如下图：

静态是一开始自带的，动态是计算出来的。

下图是抓了一个ARP协议的包：

bu段

举一个在博主总结的网络编程博文中的例子：

链接如下：

网络编程总结

下图很直观地解释了数据是怎么从应用层一层一层封装然后从网卡发送出去，一跳一跳地到达目标主机的：

客户端在主机内存就以及通过OS封装好了数据，并从网卡发送到路由器上，然后路由器分用拆包，更改下一条的mac地址，又封装起来继续在网络中发送…重复这个过程直到到达目标主机，然后不断向上分用，服务器最终就能拿到数据，并且做出响应。

五、MTU

5.1 什么是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；

5.2 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；

5.3 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。

5.4 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）；