Linux网络编程：数据链路层协议

目录

前言：

1.以太网

1.1.以太网帧格式

1.2.MTU（最大传输单元）

1.2.1.IP协议和MTU

1.2.2.UDP协议和MTU

1.2.3.TCP协议和MTU

2.ARP协议（地址解析协议）

2.1.ARP在局域网通信的角色

2.2.ARP报文格式

2.3.ARP报文的传输 

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前言：

为什么需要数据链路层

我们在之前的学习知道了网络层实现将数据报文从远端A主机经过若干个路由器的转发，最终到达目的主机B。

本质上就是数据从不同的局域网间进行转发直到转发到终点，比如家用主机转发到局域网中的家用路由器，家用路由器转发到局域网中的运营商路由器，最终在广域网这个“局域网”中转发到服务器！！！那么再按照相同的方式转发到目标主机B

 那么我们如何进行局域网之间的转发呢？也就是实现家用主机转发到家用路由器呢？这时我们就需要构建数据链路层协议来实现数据报文在局域网内进行转发。

因此我们也可以看出：网络层时确定往哪里发送，实现路由和路由选择的。而数据链路层就是一个跑腿的，实现数据包的发送。

局域网通信

在局域网中，所有主机都是直连的，这时某一台主机发送信息，其他主机都能够接收到这个信息，所以我们进行局域网通信时需要特别指定接收方进行信息响应，而其他主机不进行消息响应。

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 MAC地址和IP地址

MAC地址（又称为---以太网地址）：

• 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
• mac地址通常是唯一的

• IP地址作用：描述整个数据传输过程中的起点和终点（进行路径选择）
• MAC地址作用：数据传输过程中在同一个局域网之间每一跳的起点和终点 

如何理解这两个地址呢？

我们知道在进行数据报文转发时，起始的IP地址可能为内网的IP，需要不断的通过局域网中的路由器转换成WAN口IP最后转为公网IP。而这个过程需要进行局域网中主机找到路由器，当前层路由器找到向上层转发的路由器，这时就需要MAC地址，进行局域网内的数据移动（因为局域网中的所有主机都能够读到局域网中发出的信息，那么这时我们进行对这个目的MAC地址进行比对）

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交换机的引入 

通过MAC地址我们实现了：信息被对应的MAC地址的主机接收，但是当同一个局域网内获取到大量的信息，这时会出现数据碰撞问题，因为局域网可以看做多台主机的一份“临界”资源。

• 局域网中，任何时刻只允许一台主机在向局域网中发送数据
• 如果同时发送，会产生局域网数据碰撞问题，这时我们通过碰撞检测和碰撞避免算法来解决

如图：当我们引入交换机，交换机左端为A、B、F、E，右端为C、D、G

场景一：

A主机信息发送给E主机，如图这时A主机直接可以转发给E主机

场景二：

A发送信息给G，因为A到G之间存在交换机，此时就需要通过交换机转发到右边

交换机的作用：划分碰撞域，减少数据碰撞的概率

交换机的引入，实现了数据不会直接扩散在整个局域网中，只有数据需要跨碰撞域才会通过交换机，那么就允许不同的局部（碰撞域）同时发送信息，增大了传输效率。

1.以太网

1.1.以太网帧格式

目的地址和源地址

 表示当前数据报文需要发往局域网中的哪一个地址，当前的地址。这里的地址为mac地址

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类型

表示当前的数据报文内存储的是IP数据包、还是ARP、RARP请求/应答

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CRC

CRC-循环冗余校验码，用于校验数据传输过程中是否发生了更改、出错。

1.2.MTU（最大传输单元）

我们在Linux网络编程：网络层协议|IP-CSDN博客 曾经提及了MTU最大传输单元，即以太网帧的最大数据长度。实际上帧长度为：46~MTU大小，当以太网帧小于46时，会将他补齐至少为46字节，当以太网帧大于MTU时，会进行切片成适合的以太网帧。

这时我们联想到了快递的包裹大小也是有范围的，不会过于小也不会过于大。

1.2.1.IP协议和MTU

在IP协议中我们对过长的数据报文进行分片，最大有效载荷 = MTU - IP协议报头，并且将对应的报头标志位设为切片的状态，具体可以看Linux网络编程：网络层协议|IP-CSDN博客 这篇博客！！！

1.2.2.UDP协议和MTU

我们知道UDP协议是不可靠的传输层协议，他没有UDP的确认应答机制和超时重传机制，所以我们如果使用UDP协议进行通信时，报文大小过大，进入IP层就会出现切片成若干个UDP报文，那么这样数据丢包的可能性增加。所以UDP协议的 最大有效载荷大小 = MTU - UDP报头 - IP报头

1.2.3.TCP协议和MTU

同理我们知道TCP协议的最大有效载荷大小为： 最大有效载荷大小 = MTU - TCP报头 - IP报头，这个值也称为MSS。

在TCP三次握手期间，双方会进行各自主机的MTU大小进行协商（协议可能不同），双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值，并且选取最小的MSS值作为通信时的MTU大小

这里我们就需要注意加粗字段的内容来理解：“有效载荷”即可

2.ARP协议（地址解析协议）

2.1.ARP在局域网通信的角色

我们在前言中局域网通信模块，学习到了数据传输是需要MAC地址来实现的，那么对于发送端，他知道自己的源MAC地址，但是他怎么知道接收端的MAC地址呢？所以为了知道局域网内某个主机的MAC地址，我们实现了ARP协议，用来建立主机IP地址和MAC地址的映射关系。

1. 通信开始初期，在局域网内发送一条广播信息，内容大致为：我是主机A，我的MAC地址是MAC-A，我要和主机B进行通信，我知道你的IP是IP-B，请告诉我你的MAC-B
2. 这时在局域网域中，所有主机都能够接收到这个信息，然后用自己的IP地址和IP-B匹配
3. 最终其他的主机不接受这个报文，只有B主机接收，并返回MAC-B
4. 这时我们就能够通过IP地址来找到对应的MAC地址，进而完成通信 

并且在实际通信中，ARP协议完成获取主机MAC地址后，会将其进行缓存，也就是不需要一致用过发送ARP请求报文来获取MAC地址，直接在这个缓存表获取即可。

值得一提的是：为了应对某一台主机的网卡设备更改导致MAC地址改变，所以ARP缓存表定期更新，重新发送ARP请求

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这时我们回顾以太网帧格式：在图中我们就看到以太网报文中的有效载荷可以为IP报文、ARP请求/应答、RARP请求/应答。

2.2.ARP报文格式

我们已经知道了ARP报文可以作为以太网报文的有效载荷，发到局域网中进行IP地址到MAC地址的映射。如图为：发送ARP报文的以太网格式：

那么接下来我们来学习一下ARP报文的字段！！！

• 硬件类型指链路层网络类型，1为以太网
• 协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址
• 硬件地址长度内填6字节
• 协议地址长度内填4字节
• op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答

2.3.ARP报文的传输 

1. 首先完善ARP报文，然后通过MAC帧进行封装，默认以太网首部（报头）的目的地址为：FFFFFFF，表示传输给所有主机。并且帧类型设为
2. 当发出ARP请求的报文进入局域网时，所有在局域网的主机都可以接收到，当接收到信息后，解包掉以太网首部，读取当前ARP报文的OP字段，如果是请求报文，那么接下来就分析IP地址是否符合
3. 如果不符合，直接丢包。如果符合，那么就进行构建ARP应答报文，这时我们也获得了以太网首部的源MAC地址，接着进行以太网帧的构建并发送，完成IP地址和MAC地址的映射。

以上内容即为ARP地址解析，这里我们看出局域网中的任何一台主机都可能接收到ARP请求或者是ARP回应，并且ARP地址解析正是IP地址和MAC地址的互相映射，所以IP地址、MAC地址在实际网络通信都具有各自重要的意义……