数据链路层及其重要协议——以太网-Toy模板网

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数据链路层

前言

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。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。

链路： 就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他交换结点。
数据链路： 是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
数据链路层： 主要功能就是用于两个设备（同一数据链路节点)之间进行信息传递，数据链路层以帧为单位传输和处理数据，具体介绍可以参考我的另一篇博客计算机网络模型、网络传输、封装分用的详细讲解

1. 以太网协议

以太网帧 : 目的MAC地址（6字节） + 源MAC地址（6字节） + 类型（2字节）+数据（来源于网络层）+ CRC校验
数据链路层及其重要协议——以太网

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。
帧协议类型字段标识网络层协议，有IP、ARP、RARP。
帧末尾是CRC校验码，校验数据链路层的数据帧是否出错。

注意： 相对于IPv4来说，MAC地址够用，并且是由网卡厂家出厂设定，不需要动态设置，每个设备的MAC地址是唯一的。目前，IP地址用于表示传输过程的起点和终点（不考虑NAT机制，一个IP数据报的源IP和目的IP是固定的），MAC地址用于表示传输过程中相邻两个节点之间的地址（一个以太网数据帧每次转发，源MAC地址和目的MAC地址都会改变。

2. MTU（传输的限制）

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，取决于硬件设备。

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。
不同的数据链路层标准的MTU是不同的。

MTU作为数据链路层传输的限制，同样影响着网络层传输层的协议，以下将详细介绍

MTU对于IP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。
6. 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
7. 每个小包IP协议头的 16位标识（id）都是相同的；
8. 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，是最后一个小包置为1，否则置为0；
9. 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；

注意：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对于UDP的影响：

UDP携带的数据超过1472（1500 - 20（IP首部） - 8（UDP首部）），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，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。
MSS：TCP中IP不分包的前提下，最多能搭载多少个载荷，MTU：取决于TCP和IP的报头。