网络基础 : 以太网数据封装

Posted 2020-08-15 sparkdev

以太网的数据链路层

在数据链路层，以太网负责以太网编址，这通常称为硬件编址或 MAC 编址。以太网还负责把来自网络层的分组封装成帧。

以太网编址

以太网编址使用固化在每个以太网网卡(NIC)中的 MAC (Media Access Control，介质访问控制)地址。MAC (硬件)地址长 48 位，采用十六进制格式。

OUI(Organizationally Unique Identifier，组织唯一标识符)是由 IEEE 分配给组织(厂商)的，它包含 24 位，而组织给其生产的每个网卡都分配一个唯一的全局管理地址，该地址长 24 位。查看上图您会发现最高位是 I/G(Individual/Group) 位：如果它的值为 0，我们就可以认为相应的地址为某台设备的 MAC 地址，很可能出现在MAC 报头的源地址部分；如果它的值为 1，我们就可以认为相应的地址要么是以太网中的广播地址或组播地址，要么是令牌环和 FDDI 中的广播地址或功能地址。
接下来是 G/L 位(全局/本地位，也称为 U/L 位，其中 U 表示 universal)：如果这一位为 0，则表示相应的地址为全局地址，由 IEEE 分配；如果为 1，则表示相应的地址为本地管理地址。在以太网地址中，右边 24 位为本地管理(制造商分配)的编码，特定制造商在生产第一个网卡时，通常将这部分设置为 24 个 0，然后递增，直到 24 个1。

以太网帧

数据链路层负责将比特合并成字节，再将字节封装成帧(frame)。在数据链路层我们使用帧封装来自网络层的分组，以便通过特定类型的介质进行传输。
以太网工作站的职责是，使用 MAC 帧格式彼此传递数据帧。它利用 CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)提供错误检测功能，记住，仅仅是检测，不是纠错。
下图说明了 802.3 帧和以太网帧的格式：

注意：使用一种帧封装另一种帧称为隧道技术。

下面详细介绍各个字段。
前导码
交替的 0 和 1，在每个分组的开头提供 5MHz 的时钟信号，让接收设备能够跟踪到来的比特流。
帧起始位置分隔符(SFD)/同步
前导码为 7Byte，而 SFD(同步)为 1Byte。SFD 的值为 10101011，其中最后两个1让接收方能够识别中间的 0 和 1 交替模式，进而同步并检查到数据开头。
目标地址 (DA)
包含一个 48 位的值，且 LSB(Least Significant Bit，最低有效位)优先。接收方根据 DA 判断到来的分组是否是发送给特定节点的。目标地址可以是单播地址、广播地址或组播 MAC 地址。广播地址全为 1(十六进制格式下全为F)，广播发送给所有设备，而组播只发送给网络中一组类似的节点。
源地址(SA)
SA 是一个 48 位的 MAC 地址，用于标识传输设备，也使用 LSB 优先格式。在 SA 字段中，不能包含广播地址或组播地址。
长度或类型
802.3 帧使用长度字段，而 Ethernet_II 帧使用类型字段标识网络层协议。802.3 不能标识上层协议，只能用于专用 LAN，如 IPX。
数据
这是网络层传递给数据链路层的帧，其长度为 46-1500 Bytes。
帧校验序列(FCS)
FCS 字段位于，用于存储 CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)结果的帧的帧尾。CRC 是一种数学算法，创建每个帧时都将运行它。作为接收方的主机收到帧并运行 CRC 时，其结果必须相同，否则接收方将认为发生了错误，进而将帧丢弃。

数据封装

主机通过网络将数据传输给另一台设备时，数据将经历封装：OSI 模型的每一层都使用协议信息将数据包装起来。每层都只与其在接收设备上的对等层通信。
为了通信和交换信息，每层都使用 PDU(Protocaol Data Unit，协议数据单元)。PDU 包含在每一层给数据添加的控制信息。这些控制信息通常被添加在数据字段前面的报头中，但也可能被添加在报尾中。
OSI 模型每一层都对数据进行封装来形成 PDU，PDU 的名称随报头提供的信息而异。这些 PDU 信息仅在接收设备的对等层被读取，然后剥离，然后数据被交给下一层。
下图显示了各层的 PDU 及每层添加的控制信息：

该图说明了如何对上层用户数据进行转换，以便通过网络传输。然后，数据被交给传输层，而传输层通过发送同步分组来建立到接收设备的虚电路。接下来，数据流被分割成小块，传输层报头被创建并放在数据字段前面的报头中，此时的数据块称为数据段(一种PDU)。我们可以对每个数据段进行排序，以便在接收端按发送顺序重组数据流。
接下来，每个数据段都交给网络层进行编址，并在互联网络中路由。为让每个数据段前往正确的网络，这里使用逻辑地址(如IP地址)。对于来自传输层的数据段，网络层协议给它添加一个控制报头，这样就生成了分组或数据报。在接收主机上，传输层和网络层协同工作以重建数据流，但它们不负责将 PDU 放到本地网段上--这是将信息传输给路由器或主机的唯一途径。
数据链路层负责接收来自网络层的分组，并将其放到网络介质(电缆或无线)上。数据链路层将每个分组封装成帧，其中帧头包含源主机的硬件地址。如果目标设备在远程网络中，则帧将被发送给路由器，以便在互联网络中路由。到达目标网络后，新的正被用来将分组传输到目标主机。
要将帧放到网络上，首先必须将其转换为数字信号。帧是有 1 和 0 组成的逻辑编组，网络层负责将这些 0 和 1 编码成数字信号，供本地网络中的设备读取。接收设备将同步数字信号，并从中提取 1 和 0 (解码)。接下来，设备将重组帧，运行 CRC，并将结果与帧中 FCS 字段的值进行比较。如果它们相同，设备从帧中提取分组，并将其他部分丢弃，这个过程称为拆封。分组被交给网络层，而网络层将检查分组地址。如果地址匹配，数据段被从分组中提取出来，而其他部分将被丢弃。数据段将在传输层处理，而后者负责重建数据流，然后向发送方确认，指出接收方收到了所有信息。然后传输层将数据流交给上层应用程序。
在发送端，数据封装的过程大致如下：
    1. 用户信息被转换为数据，以便通过网络进行传输。
    2. 数据被转换为数据段，发送主机和接收主机之间建立一条可靠的连接。
    3. 数据段被转换为分组或数据报，连接地址被添加在报头中，以便能够在互联网络中路由分组。
    4. 分组或数据报被转换为帧，以便在本地网络中测试。硬件(以太网)地址被用于唯一标识本地网段中的主机。
    5. 帧被转换为比特，并使用数据编码方法和时钟同步方案。
下图解释了数据封装的过程：

传输层使用端口号标识虚电路和上层进程，如下图所示：

使用面向连接的协议(即TCP)时，传输层将数据流转换为数据段，并创建一条虚电路以建立可靠的会话。接下来，它对每个数据段进行编号，并使用确认和流量控制。如果你使用的是 TCP，虚电路将由源端口号和目标端口号已经源 IP 地址和目标 IP 地址(称为套接字)标识。主机只能使用不小于 1024 的端口号。目标端口号标识了上层进程(应用程序)，在接收主机可靠地重建数据流后，数据流将被交给进程(应用程序)。
下面让我们回到数据封装的过程。
给数据块添加传输层报头信息后，便形成了数据段；随后，数据段和目标 IP 地址一起呗交给网络层。(目标IP地址是随数据流一起由上层交给传输层的，它是由上层使用名称解析方法(可能是DNS)发现的。)
网络层在每个数据段的前面添加报头和逻辑地址(IP地址)。给数据段添加报头后，形成的 PDU 为分组。分组包含一个协议字段，该字段指出了数据段来自何方(UDP或TCP)，这样当分组到达接收主机后，传输层便能够将数据段交给正确的协议。
网络层负责获悉目标硬件地址(这种地址指出了分组应发送到本地网络的什么地方)，为此，它使用 ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)。网络层查看目标 IP 地址，并将其与主机的 IP 地址和子网掩码进行比较。如果比较表明分组是前往本地主机的，则 ARP 请求被用于请求该主机的硬件地址；如果分组是前往远程主机的，IP 将获悉默认网关(路由器)的 IP 地址。
接下来，网络层将分组向下传递给数据链路层，一同传递的还有本地主机或默认网关的硬件地址。数据链路层在分组前面添加一个报头，这样数据块将变成真(之所以称其为帧，是因为同时给分组添加了报头和报尾，使其类似于书档)。帧包含一个以太网类型(Ether-Type)字段，它指出了分组来自哪种网络层协议。现在，将对帧运行CRC 校验，并将结果放在帧尾的 FCS 字段中。
至此，可以用每次 1 比特的方式将帧向下传递给网络层了，而网络层将使用比特定时规则(bit timing rule)将数据编码成数字信号。网段中的每台设备都将同步时钟，从数字信号中提取 1 和 0，并重建帧。重建帧后，设备运行 CRC，以确保帧是正确的。如果一切顺利，主机将检查目标 MAC 地址和目标 IP 地址，以检查这个帧是不是发送给它的。