【计算机网络】数据链路层-MAC和ARP协议

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1. 认识以太网

网络层解决的是跨网络点到点传输的问题，数据链路层解决的是同一网络中的通信。

数据链路层负责在同一局域网（同一链路）中两台设备的通信。 局域网的种类有很多，如：以太网、令牌环网。以太网是最常见的局域网技术，广泛用于家庭、企业和数据中心网络。

“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；以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等。

2. MAC协议

数据链路层的MAC协议规定，同一链路中数据，以MAC帧的格式传输。 不同局域网类型的MAC协议不同，这里介绍的是以太网MAC协议。

MAC帧的格式

目的MAC地址和源MAC地址： 标识该数据帧的目的主机和源主机；

类型： 指的是封装上层数据的协议类型，有三种类型：IP, ARP, RARP，分别对应数字：0800, 0806, 8035。

CRC校验码： 判断该数据帧的正确性。

MAC地址和IP地址的区别

• MAC地址用于标识同一链路相互连接的不同主机，在通信过程中描述路途上每一个区间的起点和终点。 MAC地址的长度为6字节48位，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）。MAC地址通常是唯一的，在网卡出厂时就设定了，不能修改。
• IP地址用于标识网络中的不同主机，在通信中描述全过程的起点和终点。

MTU

MTU（Maximum Transmisson Unit）最大传输单元，指数据链路层中一个数据帧有效载荷的最大长度。

不同数据链路对于数据帧的长度限制不同，以太网MAC帧数据部分的长度规定最小是46字节，最大是1500字节。如果数据长度小于46字节，要求在数据部分后面填充额外的空白字节，以满足最小长度要求。最大是1500字节，这就是MTU。

为什么要设置MTU？

• 提高网络传输的效率；
• 降低碰撞概率，减少碰撞后重传的成本。大数据帧传输时间长，增加碰撞的风险，碰撞避免的成本很高。(关于数据碰撞，后面详谈)

数据帧长度过小也不合理，小数据帧传输速度快，时间短，碰撞检测可能在碰撞发生前触发，会导致碰撞检测失败。因此，为了在网络效率和碰撞检测之间取得平衡，通常设置帧数据部分长度范围在46~1500字节比较合理。

MTU对上层的影响：

MTU的限制，决定了上层不应该传递过大数据给数据链路层：

对于IP协议，采用分片与组织的策略，在我的另外一篇文章已详细介绍，详见：

对于TCP协议，不想让IP发生过多分片，因此引入了MSS，规定了TCP数据部分的最大长度。TCP在三次握手发送SYN的时候，会进行MSS协商（在首部变长的选项字段中携带MSS长度），取双方MSS最小值作为传输所用的MSS。

对于UDP协议，如果UDP单个报文的数据长度大于1472（MTU - IP报头长度 - UDP报头长度），就会被IP分成多个分片，提高丢包率（一片丢就相当于整个丢了）。因为UDP没有可靠性机制，丢包报文不会重传。

MSS与MTU的关系：

通常情况下：

MSS = MTU(1500byte) - IP报头长度(20byte) - TCP报头长度(20byte) = 1460byte

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3. 局域网通信原理

1. 局域网采用“广播”的策略进行数据通信，即在同一链路中，主机A向主机B发送数据，并不是直接向B转发，而是群发到同一链路的所有主机中，由接收主机辨认数据包是否是发给自己的。

2. 在同一链路上，每台主机有一个MAC地址，用于标识了该主机在链路中的唯一性。 每个发出的数据帧都携带源MAC地址和目标MAC地址。当主机A向主机B发送消息时，同链路所有主机都收到这个消息，并在数据链路层查看消息的目标MAC地址是否为本主机MAC地址，不是则在MAC层将消息丢弃，是则向上交付。

碰撞检测和避免

如果多个主机同时向链路中发送数据，可能会发生数据碰撞。 在同一物理媒介如电缆、无线信道中发生光电信号的交叉碰撞，会导致数据的损坏。因此，数据链路层引入了碰撞检测与碰撞避免机制。

• 碰撞检测

  数据链路层的碰撞检测机制，通俗理解：因为主机以广播的形式向同一链路的目标发送数据，所以发送方自己也能收到自己发出去的数据。碰撞检测就是在链路中收取自己发送的数据帧，通过CRC校验等方式，检测数据是否损坏。

• 碰撞避免

  碰撞避免就是当检测到发生数据碰撞，发送方的数据链路层会随机等待一段时间，再尝试重传数据帧。这个等待时间是为了避免多个设备在同一时间重新发送数据，从而减少再次发生碰撞的可能性。因此，不仅TCP有重传机制，数据链路层也有，只不过机制比较简单。

另外的，同一链路中设备越多，数据碰撞的概率越高。因此数据链路层引入了 交换机（Switch） 以解决这个问题。

交换机是工作在数据链路层的设备，其主要作用是划分碰撞域，如下：

主机A-F处于同一个局域网，只不过这个局域网被交换机分成了左右两个区间。左右两边完全可以正常通信，只需要由交换机转发即可。交换机的主要作用是：

1. 当主机A和主机B同时向链路中发送数据时，发生碰撞，此时交换机识别到数据碰撞，不会将碰撞产生的垃圾数据转发到右边，这样一来，右边的通信就不会受到左边碰撞的影响，大大降低了碰撞率。

2. 当左边的主机A和主机B正常通信时，交换机检测到通信的数据与右边无关，也不会转发到右边，从而减少右边链路的载荷，降低碰撞率。

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4. ARP协议

💭通信前，发送方通常只知道目标主机的IP地址和端口号，不知道同一局域网下目标设备的MAC地址，而在同一链路中通信必须清楚对端的MAC地址。因此，在查路由表得到下一跳的IP地址后，要先进行一个IP地址转MAC地址的过程，再向同一局域网中的下一跳主机发送消息。

ARP协议（Address Resolution Protocol）就是用于IP地址转换MAC地址。 ARP通俗来讲就是一个“询问”的过程，知道目标IP，在局域网中群发询问目标IP对应的MAC地址，与IP对应的目标主机会返回它的MAC地址。

这就像老师知道张三同学的学号，但不知道他的名字，要通过学号得知这位同学的名字，就在班级群里问“哪位同学的学号是XXX，你的名字是什么?”，其它同学对比自己的学号不匹配就不回答，张三同学比对后学号匹配，就会回答“老师，我是张三”。

ARP协议也是数据链路层协议，但在MAC协议之上。

ARP数据报的格式

ARP是MAC帧的一种类型（MAC帧报头的类型字段填为0806），只不过规定了MAC数据部分的字段格式。

各个字段解释：

1. 硬件类型：指链路层网络类型，1表示以太网；
2. 协议类型：指要转换的地址类型，0x0800表示IP地址；
3. 硬件地址长度：物理地址长度，以太网MAC地址是6字节；
4. 协议地址类型：要转换的地址长度，IP地址是4字节；
5. op：op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

一次ARP的过程（主机A想要得知主机C的MAC地址）：

1. 主机A向主机C发送ARP请求（格式如下图），此时主机A并不知道主机C的MAC地址，只知道其IP地址，因此将目的MAC地址设为全1，目的IP设为ipC。（帧类型ARP的0806, op是1表示ARP请求）

2. 主机A的ARP请求广播到局域网中，所有主机都会收到。

   • 对于其它非目标的主机，收到这个MAC数据帧后，发现MAC报头的类型字段为0806，得知该数据帧是ARP数据帧，便由MAC协议交付给上层的ARP协议。ARP协议解开报头，查看op字段，确定为ARP请求（这是固定过程，每个主机都可能会收到ARP请求或应答，必须先判断是请求还是应答，再作进一步处理）。然后判断目标IP是否为本机的IP地址，检测到不是，在APR层丢弃数据包。
   • 对于主机C，收到数据帧，判断是ARP请求，在ARP层判断目标IP为本机IP，则表示这个ARP请求想要获取本机的MAC地址。紧接着进行应答的构建

3. 主机C构建ARP应答（格式如下图），然后广播到链路中
   

4. 主机A收到ARP数据帧，其它主机丢弃应答（这里MAC报头中的目标地址已经确定，主机通过判断MAC报头中的目标地址，决定是否在MAC层丢弃，而不用交付给ARP层）。主机A收到了一个发送给自己的ARP应答，提取源MAC地址macC和源IP地址ipC，得到了一组IP地址和MAC地址的映射关系。主机A终于得到了主机C的MAC地址，可以正常通信了！

细节：

1. ARP层收到一个ARP数据帧，解开报头后，第一步必然是查看op字段。

   • op为1表示该帧为ARP请求，执行动作：判断目标IP是否为本机IP，是则表示该ARP请求想要获取本机的MAC地址，紧接着构建并发送应答；否则在APR层丢弃该请求。
   • op为2表示该帧为ARP应答，不用考虑是否丢弃，因为已经再MAC层完成，执行动作：提取源MAC地址和源IP地址，得到一组IP和MAC地址映射关系

2. ARP请求的丢弃发生在ARP层，ARP应答的丢弃发生在MAC层。

ARP缓存

如果每次发送数据时，都要进行ARP映射MAC地址，不仅效率低，还会导致链路中存在大量的ARP数据帧，增加链路的负担，因此就有了ARP缓存。

每个主机都会维护一张ARP缓存表，用于存储历史建立的IP与MAC地址的映射关系。 数据链路层收到IP数据包后，根据目标IP地址，查看ARP缓存表，若表中存在与目标IP地址对应的映射关系，则直接打包MAC帧发往目标主机，否则进行ARP过程。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。

Linux下通过arp指令查看ARP缓存表。

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