初识Linux · 数据链路层

前言：

前文我们通过OSI模型，一直到TCP/IP四层模型，经过了三篇文章左右的功夫，我们把网络层介绍完毕，主要还是介绍的IP协议的iphdr，以及内网公网的概念，最后是一个IP分片。那么经过一系列介绍，我们最终也到了TCP/IP四层模型的最后一层——数据链路层。

那么数据链路层我们这么介绍，从以太网帧协议到认识MAC地址，再到arp协议，最后引入一个交换机的概念，数据链路层我们也就收官了。

当数据链路层讲完，我们下一篇文章再补充一点细节部分，具体之后再说咯，那么废话不多说，我们直接进入主题。

以太网帧协议

首先，在网络报文传输的时候，我们重点讨论的是报文从一个子网到达另一个子网的过程，那么我们并没有重点讨论在一个局域网内报文是怎么传输的，是怎么从一个主机到达另一个主机的，而数据链路层，要讨论的就是这个问题。

在网络层报文传输的时候，报文通过IP协议封装，到数据链路层之后也有对应的协议进行封装，这个协议叫做以太网帧协议。不过它非常的简单：

它就只有这么多字段，其中目的地址和源地址代表的是MAC地址，而对于MAC地址来说，设定的就是6字节，我们也可以通过ifconfig查看mac地址：

其中etho的ethre代表的就是MAC地址，由6字节组成，什么是MAC地址我们在第一节网路的时候就谈论了，MAC就相当于临时的地址。

以太网帧的CRC是校验码，我们不谈，中间的数据部分是46字节到1500字节，其中如果中间的数据不够46字节，OS就会采取一点措施，比如给数据中加入一定数量的1或0，总之能够到达46字节就可以了，当然了，数据也是不能超过MTU的，这是上文我们已经介绍了的。

这里面的重点是类型，类型可以代表IP报文，ARP请求/应答，RARP请求/应答。那么有了类型，我们就可以通过类型判断它是需要向上交付的报文，还是用来请求MAC地址或应答MAC地址的。

那么具体的涉及到了ARP协议，我们先不谈。但是有了以上的理解，如何解包，如何分用我们也就清楚了。

ARP协议

ARP协议理解

在数据链路层中存在两个协议，一个是以太网帧协议，一个是ARP协议，而ARP协议是建立在IP层和以太网帧协议的中间，但是实际上ARP协议也是在数据链路层的，就像这样：

那么ARP协议是什么我们要清楚，ARP协议是用来交换双方的MAC地址的，相当于是进行一个IP地址到MAC地址的转换，那么RARP协议代表的就是reverse ARP，完成的工作是MAC地址到IP地址的转换。

那么问题来了，我们明明可以通过IP直接进行通信，为什么要在数据链路层新增加一个ARP协议和以太网帧协议呢？因为MAC地址是物理层和数据链路层通信的地址，它们是固定的硬件地址，而IP地址是动态分配的，所以要实现本地通信，仍然需要落实到MAC地址上。即便说可以通过IP地址直接通信，那么每层都要理解什么是IP地址，这无疑增加了各种成本，所以使用MAC地址，也是更好的实现了分层，还记得吗?我们在最开始介绍协议的时候，说到了一个非常重要的话题就是：协议的出现，可以让通信更好的解耦合。

所以上述给出的定论是：ARP协议是用来进行IP地址到MAC地址的转换的，RARP协议是用来进行MAC地址到IP地址的转换的。当然了，大部分情况下都是使用的ARP协议，因为知道MAC地址但是不知道IP地址的情况还是比较少见的。

ARP协议字段

前面的14字节是以太网帧协议，后面的28字节是ARP协议。

对于硬件类型来说，一般都是1，表示以太网，对于协议类型来说，有多种取值，用来判读上层协议类型或者是ARP请求/应答，具体可以参考这个表格：

对于OP来说，分别有4个取值，1代表ARP请求，2代表ARP应答，3代表RARP请求，4代表RARP应答。对于硬件地址长度来说，实际上就是MAC地址的长度，对于协议地址长度，比如IPv4地址的长度。对于发送端以太网地址和目的以太网地址来说，都是6字节，实际上就是MAC地址，对于发送端IP地址和目的IP地址来说，实际上就是IP地址。

那么我们可以模拟一下如何确认MAC地址的：

假设存在多台主机，主机A第一次给主机E发送消息，那么它会构建一个ARP请求，其中包含了两个IP地址，两个MAC地址，一个MAC地址是A的，一个MAC地址是E的，但是并不知道是多少，然后主机A将这个报文发送到了子网中，那么在局域网中每个主机都是可以收报文的，那么假设主机B收到了，解析的时候一看IP地址主机B的，那么该报文在主机B的数据链路层就会丢弃该报文。其中主机E收到了，一看IP地址是自己的，所以就会再发送一个报文到子网中，其中同样包含IP地址A和E的，MAC地址A和E的，OP被设置为2，代表这是一个ARP应答，其他主机收到一看，自己没有发送ARP请求，所以会抛弃该报文，主机A收到并成功解析，而这个过程ARP报文中最重要的就是OP。

一看OP知道该报文的类型是什么，才决定该主机是直接抛弃还是开始解析。

那么现在有一个问题：我们明显发现以太网帧协议中有MAC地址，帧类型，我们发现，以太网帧协议中的三个字段和ARP协议中的字段似乎重复了？

所以就像一物多用，在每一层都有自己的用处的，ARP缓存表我们可以通过arp -a查看：

当然了，从协议方面两个协议分别指明协议不同，以便更好的交付，加上最开始MAC地址不知道，所以需要明确MAC地址，就要使用ARP协议的MAC地址，加上还要缓存ARP缓存表，所以重复虽然是有，但是也是有用的。

交换机

我们清楚的知道一个子网就是一个碰撞域，所以在碰撞域类，如何避免碰撞是一个重要的话题，这里面就涉及到了碰撞算法，同学们可自行了解。

而如果发生了碰撞，就可能会导致两台主机休眠，谁先醒来谁就继续发数据，那么我们应该是经历过这么一个情况的：一大堆人在操场，会发现网络很卡，这就是因为在这个局域网内，数据碰撞的太多了，从而导致主机一直休眠。

那么如果一台主机往里面发送很多垃圾数据，让其他主机发生碰撞，就会导致其他主机休眠，自己的主机虽然发生了碰撞，但是它厚脸皮啊，它发的都是垃圾效率，所以可以疯狂重连，只要让其他主机退避就可以了，它只在乎发送垃圾数据。

那么为了解决一条物理信道有多台主机发送数据导致碰撞的问题，可以引入交换机：

在第一次交换机工作的时候是不知道左右两边的MAC地址的，但是在多台主机发送ARP之后，交换机内部会记录对应的MAC地址，这个时候就能真正分割对应碰撞域了。

对于数据链路层我们暂时说到这里，对于ARP的具体过程和ARP欺骗我们之后再谈~