数据链路层：以太网/ARP协议
本文将分享数据链路层的相关知识点：以太网、以太网帧格式、MAC地址、MTU和ARP协议
以太网
"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。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,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。
MAC地址
MAC地址是一个唯一的硬件地址，用于标识网络设备的物理地址，换句话来说是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(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)。
IP地址和MAC地址
IP地址描述的是路途总体的起点和终点。MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点。
MTU
在分享IP协议的博文中，我们提到过，数据链路层每次发送的数据的大小是有限制，一般为1500字节。从而这个最大值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。
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，UDP也不会进行重传。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(MaxSegment 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)。
使用ifconfig命令, 即可查看ip地址, mac地址, 和MTU：
ARP协议
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。
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。
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。
ARP协议的工作流程
首先，主机A想要与主机B通信，需要拿到对方的MAC地址。因此会向对方发送ARP请求，在ARP请求的格式中，由于不知道对方的MAC地址，因此就会填入FFFF.FF。将op字段填入1，表示请求。当这个ARP请求在网络发送的过程中，会被网络中的所有主机接收到。所有主机都会对比其中的目的IP地址，看看是否跟自己的一样，如果不是，则直接丢掉。主机B一看，噢，是我的。
于是，主机B就会返回一个ARP应答，在ARP应答中，op字段填入2，表示应答。此时，这个ARP应答就会被主机A接收。
在此过程中，由于每一台主机都可能不止与一台主机进行通信，因此，收到ARP时，第一个看的是OP字段，看看是1还是2。