TCP/IP协议簇之数据链路层

Posted 2022-02-23 WoLannnnn

文章目录

• 数据链路层
• • 认识以太网
  • • 以太网帧格式
    • 认识MAC地址
    • 对比理解MAC地址和IP地址
    • 认识MTU
    • MTU对IP协议的影响
    • MTU对UDP协议的影响
    • MTU对于TCP协议的影响
    • 查看硬件地址和MTU
• ARP协议
• • ARP协议的作用
  • ARP协议的工作流程
  • ARP数据报的格式

数据链路层

用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递.

真正实现“跳”是由数据链路层完成的。

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; 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;

同一局域网下的主机(包括路由器)可以通过以太网进行通信。但如果同一局域网下有多台主机，多台主机同时发送消息，就会形成干扰，也就是碰撞。比如我们在大街上说话，很可能因为人群的声音太大，导致我们说出的话被覆盖了，这样别人就听不清楚我们说了什么。此时这个局域网就叫做碰撞域，大街就类似一个碰撞域。既然会发生碰撞，主机将信息发出时，就会进行碰撞检测，检测到了当前已经出现了碰撞，就会进行冲突避免，可能等一会再发，所提MAC帧可能会被重发。

交换机设备就是来处理这种情况的。交换机可以划分碰撞域，转发MAC帧。

在同一局域网下通信，所有主机都会收到数据报，那么要进行通信的两台主机，接收端怎么知道是发送给自己的呢？

这是因为发送的数据报中，有对方主机的MAC地址，其他主机收到数据报后，与自己的MAC地址对照，发现对应不上，于是就把该数据报丢弃。而接收端收到后，发现与自己的MAC地址温和，此时就会向上层不断解包，完成数据的收取。

以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示：

• 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帧报头是定长的，有利于报头与数据的分离。

认识MAC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, 即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).

对比理解MAC地址和IP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;

比如唐僧去西天取经，它的出发点是东土大唐，目的是西天。而每经过一个地方，别人问它上一次经过哪里，下一站要去哪，这两个地址就是相对的，IP地址就像东土大唐和西天，MAC地址就像上一站和下一站，是会变化的。

我们与远端主机通信的大致过程：

IP层封装好协议后，将数据报发送给数据链路层，数据链路层发现该IP在当前路由表中找不到，就会将它发送给默认网关——路由器，所以MAC帧报头的目的地址就填了路由器的地址。路由器收到后，解开MAC帧报头，此时在IP层将源IP地址通过NAT技术将地址转换，然后再封装MAC帧报头，此时的目的MAC地址和源MAC地址就要改变了，源地址当然是路由器自己的，目的地址就是另一台路由器的MAC地址。然后发送给下一台路由器，这样不断地经过路由器的转发，最后到达对方主机。

所以在数据的发送过程中，源MAC地址、目的MAC地址会不断地变化，源IP地址也会进行一定的转换，而目的IP一直不变。

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;

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0, 否则置为1);
• 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,负责数据重传的是TCP层;

下图很好地展示了IP对MMU的处理方式：

但图中有一个不足，就是分片是IP层完成的，不是由数据链路层完成的

MTU对UDP协议的影响

让我们回顾一下UDP协议:

• 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对于TCP协议的影响

让我们再回顾一下TCP协议:

• 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);

MSS和MTU的关系

查看硬件地址和MTU

使用ifconfig命令, 即可查看ip地址, mac地址, 和MTU;

ARP协议

ARP是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标地址不在同一个链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。不过ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6。IPv6可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息。

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，属于网络层(TCP/IP模型)，在OSI七层模型中属于数据链路层，但在MAC帧协议之上。

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;

ARP协议的工作流程

• 源主机发出ARP请求包,询问“IP地址是192.168.0.1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);
• 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;
• 每台主机都维护一个ARP缓存表,里面缓存了的是IP与MAC的对应关系。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

想一想,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?
因为我们可能还要对相同主机进行通信，此时再通过ARP协议进行询问就太麻烦了。
有过期时间是因为缓存本来就是很宝贵的资源，所以要进行及时的清理；不及时清理可能会出现ARP欺骗。

再想一想, 结合我们刚才讲的工作流程, ARP的数据报应该是一个什么样的格式?

ARP数据报的格式

前面的以太网首部不属于ARP协议报头，后面的28字节才是ARP协议，在ARP协议之后(图中未画出)，就是TCP数据包。
所以MAC帧数据包的有效载荷实际上还包含了ARP协议。

• 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;
• 硬件地址长度表示以太网地址，值为6字节;
• 协议地址长度表示IP地址，值为4字节;
• op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

具体版：在同一个局域网内两台主机进行通信，如何知道对方的MAC地址?
假设现在同一局域网内A、B两台主机要进行通信，既然在同一局域网内通信，就要知道B主机的MAC地址，A怎么知道B的MAC地址呢？就是通过ARP协议完成的。

首先，A要获得B的MAC地址，所以A以广播的形式在局域网内发送MAC帧，这样局域网内每台主机都能收到。MAC帧中，A要填写ARP协议，以找到B主机，获取它的MAC地址。A填写的ARP协议如下：

完成了ARP协议的填充后，就要完成MAC帧的报头填充：

之后，同一局域网下都收到了该MAC帧，解开MAC帧报头后，首先看ARP协议的op，op为1，所有主机就知道这是一个请求，然后再查看并对照自己的IP，目的IP地址与自己的IP地址不同就丢弃该MAC帧。所以，只有B的IP是成功对照的，B就会收下该MAC帧，并且重新写一个ARP协议：

随后也进行MAC帧报头的封装，封装好后，发送给A，A收到该MAC帧后，同样先解开MAC帧报头，先读ARP协议的op，发现op为2，就知道这是一个应答，进而就能获取B的MAC地址。最后他们就能在同一局域网下进行通信了。

同样，如果A要给不在同一局域网下的B通信，经过一系列的路由跳转后，与B在同一局域网下的路由器，要将A的信息发送给B，但是不知道B的MAC地址，所以也要通过ARP协议来获取B的MAC地址，最后将A的信息发送给B。