【Linux网络编程】数据链路层

认识以太网

"以太网"不是一种具体的网络，而是一种技术标准；即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：规定了网络拓扑结果，访问控制方式，传输速率等等。

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

以太网是当前应用最广泛的局域网技术，和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN 等；

以太网帧格式

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个字节），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。

认识MAC地址

MAC地址是用来识别数据链路层种相关的节点。

长度位48位，即6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式表示(例如:08:00:27:03:fb:19)；

可以 通过arp -a命令查看。

在网卡出厂时就确定了，不能修改。mac 地址通常是唯一的(虚拟机中的 mac 地址不是真实的 mac 地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置 mac 地址)。

对比理解MAC地址和IP地址

1. IP 地址描述的是路途总体的 起点 和 终点；
2. MAC 地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;

认识MTU

数据链路层规定对应的报文大小不能超过最大传输单元(MTU)；否则需要对数据包进行分片(fragmentation)，这个工作是在网络层完成的，网络层的IP协议中的16位标识，3位标志，13位片偏移可以实现数据包的分片和组装工作。

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；

不同的数据链路层标准的 MTU 是不同的；

MTU对IP协议的影响

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；

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。

MTU对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)。

ARP协议

如上图，主机A在 向主机B发送数据的时候，是需要将数据进行一层一层的封装，向下交付，到达网络层，需要封装IP报头，其中包含源IP地址和目标主机的IP地址。到达数据链路层时，需要加上MAC帧报头 ，其中包含源MAC地址和目标主机的MAC地址。

但是现在的问题是，当前的两台主机只能知道对方的IP地址，不知道对方的MAC地址，需要进行通信，必须 要先获取到对方的MAC地址。这时就需要使用ARP协议。

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。

1. 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（MAC地址）；
2. 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；
3. 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；

ARP数据包的格式

1. 硬件类型指链路层网络类型，1为以太网；
2. 协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址；
3. 硬件地址长度对于以太网地址为 6 字节；
4. 协议地址长度对于和 IP 地址为 4 字节；
5. op 字段为 1 表示 ARP 请求，op 字段为2表示ARP应答。

ARP协议的工作流程

1. 源主机发出 ARP 请求，询问“IP地址是 172.20.1.2的主机的硬件地址是多少”；并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播)；
2. 目的主机接收到广播的 ARP 请求，发现其中的 IP 地址与本机相符，则发送一个ARP 应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
3. 每台主机都维护一个 ARP 缓存表，可以用 arp -a 命令查看。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。

为什么要有缓存表? 为什么表项要有过期时间而不是一直有效? IP地址是变化的，同过DHCP，由局域网中的路由器给我们动态分配。所以不可能永久 记录，只能暂时记录下来。