0. 前言

上一篇我们了解了网络层；我们知道了网络层确定了数据报传送的逻辑路线；而具体数据链接层具体去落实的。
文章链接
https://blog.csdn.net/Dingyuan0/article/details/129626027?spm=1001.2014.3001.5502

数据链接层：用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

1. 以太网的帧格式

（来自相关教材资料）

• 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- - -6字节,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。

2. 再谈局域网原理

• 我们H1主机给H6主机发送你好吗？？？；其它主机也可以收到，不过根据目的地址发现不是发给自己的就直接丢弃了。
  • 此时我们就可以把局域网理解为一份临界资源，大家都共享的。
• 我们发数据时，别人也在发；就有可能发生数据碰撞问题。
  • 碰撞避免算法：发生碰撞后发送主机休息随机时间，然后再发送数据。
  • 发送数据时所有主机都可以收到，也包括发送数据的主机。发送主机就可以知道自己的数据是否发生碰撞了。
• 局域网中主机当然是越少越好。
  • 主机少了不容易发生数据碰撞
• 局域网的数据帧发送的时候，数据帧长度要适中。
  • 太短了了影响效率
  • 太长了容易发送数据碰撞

（图片来源于百度）
当然局域网中存在交换机

• 它划分碰撞区域，减少影响。
  • 很容易理解，1号主机向5号主机发送数据出现了碰撞问题，发生在交换机左边；那么交换机就不让它通过；交换机右面部分还可以正常通信。

3. 汇总整体通信流程，补全细节

3-1 理解MAC地址和IP地址

• 1 在网络转发的过程中，目的IP不会变。
  • IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点
  • 唐僧从东土大唐去往西天拜佛求经（源IP地址和目的IP地址）
• 2 MAC帧报头会发生变化。
  • MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点
  • 例如：唐僧从女儿国去往狮驼岭（源MAC地址和目的MAC地址）

3-2 MTU

1. 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

2. MTU对IP协议的影响

分片过程网络层已经具体讲过了。

• 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

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

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)

查看硬件地址和MTU

3-3 ARP协议

1. 基本概念

虽然我们在这里介绍ARP协议, 但是需要强调, 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。

2. 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

3. ARP数据报的格式

• 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的
• 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
• 硬件地址长度对于以太网地址为6字节
• 协议地址长度对于和IP地址为4字节
• op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

注意：
地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据 IP地址 获取物理地址 的一个TCP/IP协议 。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。

4. 简述arp协议的工作过程

• 每个主机都会在自己的ARP缓冲区建立一个ARP列表，以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系

• 当源主机要发送数据时，首先检查ARP列表中是否有对应IP地址的目的主机的MAC地址，如果有，直接发送数据，如果没有，向本网段的所有主机发送ARP数据包（在这个过程中目的MAC地址填全1，也就是广播号），该数据包包括的内容有：源主机IP地址，源主机MAC地址，目的主机的IP地址

• 当本网络的所有主机收到该ARP数据包时，首先检查数据包中目的MAC地址是否是广播号，如果是mac就交付给ARP；然后再看OP字段是否为一（op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答）；是的话再看ARP中的IP地址是否是自己的IP地址。如果不是，则忽略该数据包，如果是，则首先从数据包中取出源主机的IP和MAC地址写入到ARP列表中。如果已经存在，则覆盖，然后将自己的MAC地址写入到ARP响应包中，告诉源主机自己是它想要找的MAC地址。

• 源主机收到ARP响应包后，将目的主机的IP和MAC地址写入ARP列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
  
  （图片来源于百度）