【网络原理】数据链路层

目录

一. 以太网

二. 以太网数据帧

三. MAC地址

四. MTU

 五. ARP协议

 六. DNS

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一. 以太网

以太网是一种基于有线或无线介质的计算机网络技术，定义了物理层和数据链路层的协议，用于在局域网中传输数据帧。

二. 以太网数据帧

1）目标地址

 接收方的MAC地址（6个字节）

2）源地址

 发送方的MAC地址（6个字节）

3）类型

 现在常用的类型是DIX标准，用于标识上层协议

• IPv4：0x0800
• ARP：0x0806
• IPv6：0x86DD
• RARP：Ox8035

可以直接支持多种上层协议，无需额外封装。 

4）数据

 数据大小的范围：46~1500字节

• 最小46字节：若上层数据不足，需填充（Padding）至46字节，确保帧总长≥64字节。
• 最大1500字节：避免过长帧导致缓冲区溢出或延迟过高（称为最大传输单元MTU）。

5）校验（CRC）

 循环冗余校验，判断传输的数据是否正确

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三. MAC地址

MAC地址是数据链路层中用于唯一标识网络设备的物理地址，确保数据在同一局域网中准确传输到目标设备 ，类似于身份证号

• MAC地址通常使用16进制表示，字节之间使用—进行分割
• 从出厂的时候，就已经规定好了，不能进行修改，由于这种静态分配和不可变性，一般使用MAC地址作为机器唯一标识
• 全球唯一性：由IEEE统一分配，确保每个设备的MAC地址不重复

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IP地址和MAC地址的区别 

MAC地址的作用和IP地址类似，都是用于定位设备

MAC地址和IP地址是两个独立的地址体系

• IP地址侧重于全局的转发，从起到到终点整个转发的过程，通过路由表一直查询IP地址完成通信
• MAC地址侧重于局部的转发，两个相邻设备之间的通信

如果是公网传播，不涉及NAT机制，那么以太网数据帧的IP部分一直不回改变

但是每经过一个路由器或交换机，以太网帧头中的源MAC地址和目的MAC地址都会发生改变

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四. MTU

 MTU是网络通信中的一个关键参数，用于限制数据链路层可承载的网络层数据包的最大大小

在不进行分片的前提下。某一个网络接口可以传输的最大数据量，MTU对网络传输效率有显著的影响

较大的MTU可减少头部开销，提高吞吐量；较小的MTU可降低延迟，适合实时通信。

以太网数据帧对载荷部分，具有一定的要求，最小位46字节，最大是1500字节，46字节是因为ARP最小是46字节，1500字节（实际不到）是硬件设备的限制

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MTU对IP协议的影响（分包）

若IP数据包大小超过路径MTU，路由器会分片（Fragmentation），接收端再重组。

注意：如果出现了小包的丢失，就会导致整个的重组失败，但是IP层不会负责重发

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MTU对UDP协议的影响

UDP数据报如果携带的数据超过了1472字节（1500-20（IP首部）-8（UDP首部）），那么就会把这个数据在网络层分成多个IP数据包进行传输，如果小包丢失了，数据重组失败，但是IP层不会重发，就会导致整个数据丢包的概率增加

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MTU对TCP协议的影响

 这里要介绍一个新的概念：MSS

MSS：TCP协议中一次可传输的最大应用层数据量（不含TCP和IP头部）

TCP相对于UDP而言，会在建立连接的时候，进行MSS协商，在建立连接的时候，客户端发送SYN请求报文的时候，会携带MSS值，服务器会根据收到的MSS值和本端的MTU值，取其中的最小值，告知给客户端，客户端返回ACK中确认协商后的MSS值，这就是MSS协商

如果应用层的数据超过了MSS值，会在传输层进行分段，每个段的大小不会超过MSS值

由于网络传输的复杂性，这个MSS并不是一味不变，会动态调整MSS以适配路径最小MTU。

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 在数据链路层中，不止存在以太网协议，还存在其他协议，协议不同，MTU也是不同的

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 五. ARP协议

 ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系

目的主机硬件地址的重要性 

• 在网络通信中，源主机知道目的主机的IP地址和端口号，但是不知道目的主机的硬件地址
• 如果不知道目的主机的硬件地址，数据到达不了网卡，也意味着上层协议无法收到数据
• 所有在通讯前必须要知道，目的主机的硬件地址

 如何得知硬件地址？（ARP协议）

源主机发送ARP请求（广播发送），广播询问这个IP地址的硬件地址是什么？

目的主机收到这个请求之后，发现这个IP地址对应的是自己，那么就会将自己的主机硬件地址发送给源主机（ARP应答包）

每台主机都维护⼀个ARP缓存表，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

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 六. DNS

DNS也就域名解析系统，在网络通信中，使用IP地址来标识一个网络设备的位置，一串点分十进制的数字，是不好被记忆的，就使用一些可读性好的单词（域名），来标识一个IP地址

这种从域名到IP地址的解析过程，就是DNS

• 起初域名和服务器没有这么多，使用hosts文件进行管理，每次访问时，在hosts文件中，找到这个域名对应的IP地址，然后进行访问
• 随着域名和服务器越来越多，使用hosts文件进行管理，维护起来很麻烦，于是就使用一个专门的服务器提供这个域名解析的服务，主机每次访问一个服务器之前，都要先访问一下这个DNS服务器，进行域名解析操作，然后拿着IP地址，去访问

最开始的这些DNS服务器，也称为根域名服务器（数量有限），全世界同时有这么多人同时上网，根域名服务器肯定承载不住，于是各个国家的运营商，就根据根域名服务器，搭建出非常多的镜像DNS服务器，用户一般访问的时候，是访问附近的镜像DNS服务器