链路层以太网详解
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了链路层以太网详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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前言
虽然网络层IP协议提供了数据传输的能力。点对点(同一局域网主机之间通信)，端对端(跨网络主机通信)。但是网络层并不是真正发送数据的，真正发送数据的是链路层。
一.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，即包含了链路层的内容，还包含了物理层的内容。例如：规定了网络的拓扑结构(节点以什么形式组织(树/图...))，访问控制方式，传输速率等。
- 以太网现在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，无限LAN等。
总结：以太网是一种标准，是局域网中通信的一种标准。
二.以太网帧格式
2.1 格式介绍
- 源地址和目的地址指的是网卡的硬件地址(MAC地址)，长度48位，咋网卡出厂时固化的。
- 帧协议类型字段有三种值(0800，0806，8035)，分别对应IP，ARP，RARP。
- 帧末尾是CRC校验码。
特殊MAC地址：如果将目的MAC地址设为全1，是广播。每一个局域网内的主机，都能收到数据，并且向上解析。
如何向上实现报头和数据分离：以太网协议报头长度是定长的。
向上交付给那个协议：类型0800说明是IP协议。
2.2 认识MAC地址
- MAC地址长度48位，6字节，一般用16进制加上冒号形式来表示(例如：08:00:27:03:fb:19)。
- 在网卡出厂时就确定了，不能修改，是唯一的。
- 用来唯一标识一台主机的网卡。
2.3 对比IP地址和MAC地址
有人说，有了IP地址来标识主机，为什么还需要mac地址呢？
源IP地址和目的在IP地址是标识了最开始发送数据的主机和最终接收数据的主机。相当于你要取某个地方的起点和终点。
源MAC地址和目的IP是当前局域网中发送数据的主机和接收数据的主机。相当于你要去某个地方，每次经过一个区间的起点和终点。
如果跨网络传输，这个发送数据的主机不一定是最开始发送数据的主机，接收数据的主机不一定是最终接收数据的主机。
所以跨网络通信时，MAC地址每经过一个局域网都会发生变化。IP地址不会变化，但是由于NAT技术，源IP地址也是被不断替换的。
为什么以太网协议封装的数据只能局限在局域网中通信？
因为，一台网协议会在数据中添加源MAC地址和目的MAC地址。如果要跨网络，必须经过路由器。路由器连接不同的局域网，用的网卡不同，就需要将收过来的数据，解包，再封包，将数据的MAC地址修改了。
2.4 数据碰撞问题
2.4.1 数据碰撞概念
一个局域网是多台主机共享的，当多台主机往局域网中发送数据时，数据在局域网中会发生干扰，俗称数据碰撞。数据碰撞之后，由于不知道数据的准确性，数据无法再继续发送。
此时这个局域网就是一个碰撞域，每台主机都会进行冲突检测，检测是否有数据发生碰撞，主机也有冲突避免的算法。
为了避免碰撞，局域网通信，在一个碰撞域中，任何时刻都只允许只有一台主机向另外一台主机通信。
2.4.2 交换机
交换机工作在链路层，具有划分碰撞域和转化数据帧的功能。提高通信效率。
2.4.3 总结一下如何通信
在一个局域网中通信，主机A只负责将数据发送到局域网中，局域网中的所有主机都能收到该数据，包括路由器，路由器也是局域网中的一台主机。但是以太网协议会在数据中加入源MAC地址和目的MAC地址，主机收到数据后，会将目MAC地址和自己的MAC地址作比较，不匹配丢弃，匹配的话，就向上会解析。
三.认识MTU
- 以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据报小于46字节时，要在后面补充位数。
- 最大值1500字节称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同网络类型有不同的MTU。
- 如果一个数据包的长度超过了MTU，则需要对数据进行分片，分片是网络层IP做的。
- 不同的数据链路层标准的MTU是不同的，在数据传输过程中，数据可能会被路由器继续分片。
3.1 MTU对IP协议的影响
发送时，网络层IP协议的数据需要发送到链路层，由于MTU的影响，对于超过MTU的数据，IP要对其进行分片处理。
- 同一组数据的每一个分片IP协议的16位标识id是相同的。
- 每一个分片IP协议报头的3位标志段，第二位为0，表示允许分片，第三位为1，表示后面还有分片，第三位为0，表示后面没有分片。
- 每一个分片IP协议报头的13为偏移量，表示的是当前分片距离起始位置的偏移量，用于接收端组装的。
- 一旦一些分片丢失，数据重组失败，但是IP层不负责重传数据。
- 负责数据重传的是传输层，准确来说是TCP协议，UDP协议不可靠。
3.2 MTU对传输层的影响
3.2.1 MTU对UDP协议的影响
UDP协议的特点是：无连接，不可靠和面向数据报的。
- 当一个UDP携带的数据超过1472(1500 - 8(UDP报头) - 20(IP报头))时，在IP层就一定会进行分片
- 分片之后，一个数据被分成了多份，说明，数据丢包的概率增加了。
- 并且，UDP没有可靠性保证，数据不会重传
3.2.2 MTU对TCP的影响
- TCP协议的一个数据报也不能是无限大的，不仅受之于流量控制，拥塞控制的影响，还受MTU的影响。TCP的有效载荷的最大消息长度，称为MSS。
- TCP在建立连接，三次握手时，通信双方会进行MSS协商。
- 双方SYN时会在TCP报头写入自己能支持的MSS值。
- 双方知道知道对方的MSS后，选择最小值作为最终MSS。
- MSS值在TCP报头填入位置在选项。
虽然TCP会协商MSS，但是，仍然可能会被分片。接收端就收在组装时，如果发现一个分片丢失，接收端TCP收不到数据，就认为整个数据丢失，会让发送方，重发整个数据。
MSS和MTU的关系：
3.2.3 查看硬件地址和MTU的命令
四.ARP协议
首先强调ARP协议并不是一个单纯的链路层的协议，而是介于数据链路层和网络层之间的协议。
4.1 ARP协议作用
我们通过上面知道以太网标准的格式，需要在数据中加入源MAC地址和目的MAC地址，那我们时怎么知道对方的MAC地址的呢？
我们是通过APR协议来获取对方的MAC地址。
通过对方的IP地址来获得对方的mac地址。
4.2 ARP数据报格式
- 以太网首部和上面相同。但是ARP协议，类型设为0806
- 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，0800为IP地址，意思是通过IP地址找MAC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IP地址为4字节
- op字段：为1表示ARP请求，为2表示ARP应答。
4.3 ARP协议的工作流程
- ARP协议先广播数据到居于网中，目的MAC地址为全1。
- 每台主机收到数据后，解开以太网报头和IP报头，拿到目的IP地址。
- 拿目的IP地址和字节主机的IP地址向比较，匹配就返回ARP响应。
- 发送端收到响应就获得了对方的MAC地址。
如果局域网中的主机没有目标主机，怎么知道对方的IP地址呢？(ARP字段要填写)
我们知道最终要接收数据主机的IP地址(应用层会数据URL中)。在IP成先查路由表，发现不在当前局域网中，会发送给路由表中默认的网段，也就是路由器。主机知道路由器的IP地址，一般是当前局域网的网络号，主机号为1。会在ARP协议的目标IP地址填入路由器的IP地址。路由器收到后会ARP响应。
如果查看路由表，最终要接收数据主机的IP地址在当前局域网中，会在ARP目的IP地址填入最终要接收数据主机的IP地址。最终要接收的主机收到会响应ARP。
局域网中的主机收到ARP请求，向判断op字段是否是请求，因为当前主机可能还收到了别的主机的响应。再解开报头，获得目的IP地址，是否与自己的IP地址匹配，匹配响应，不匹配丢弃。(广播的，局域网中的主机都会解开报头，匹配目的IP地址)
局域网中发送请求的主机收到ARP响应，向判断op字段是否是响应，因为当前主机可能还收到了别的主机的请求。再解开报头，MAC地址与自己的匹配，不匹配的丢弃。发送请求的主机就获得了对方的MAC地址。(不是广播的，请求知道了发送主机的MAC地址)
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