网络-数据链路层小结

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数据链路的作用

1、封装成帧：在每个网络层数据报经链路传送之前，几乎所有的链路协议都要将其用链路层帧封装起来；

2、链路接入：媒体访问控制协议（MAC）协议规定了帧在链路上传输的规则；

3、可靠交付：链路层保证无差错的经链路层移动每个网路层数据帧；

4、差错检验和纠正

5、流程可画为如下：

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MAC地址

1、MAC地址用于识别数据链路中互连的节点；数据一般都是先到目标所在的局域网，再通过查询mac地址来匹配到对应主机；

2、MAC地址全球唯一，任何一个网络的MAC地址都不会重复；

3、一个MAC地址长48比特，也就是6字节。

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以太网帧格式

以太网帧本地的前端是以太网的首部，总共14个字节。分别是6字节的目标MAC地址，6字节的源MAC地址以及2个字节的上层协议类型，该字段以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议（包含IP，ARP，PARP）；在帧头后紧跟着的是数据，数据字段所容纳的最大数据范围为46~1500字节，加上首尾，有效长度为64~1518字节（首部6+6+2，尾部4字节）。帧尾部是一个帧校验序列，长4个字节。

关于数据的大小，规定最小为46字节，最大为1500字节，ARP和RARP的数据包不够46字节，需要在后面补填充位；而1500又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，若一个数据包从以太网发送到拨号链路上，数据包大小超过MTU，则需要对数据进行分片处理。

关于帧尾部的校验，可以检查帧是否有损坏。比如在传输过程中出现干扰，就可能影响发送数据导致乱码位的出现，此时就可通过FCS的值将受到噪声干扰的错误帧丢弃。

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关于MAC帧中上层协议字段的作用，可参考下图：

以太网驱动程序首先根据MAC帧中的“上层协议”字段确定上层使用的到底是什么协议，然后再交给相应的协议处理。

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地址解析协议ARP

作用：

在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧之前将目标主机的IP地址转换成目标主机的MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标主机的IP地址，查询目标主机的MAC地址，以保证通信的顺利进行。协议又称做服务，ARP协议也即ARP服务，提供把IP地址转换成MAC地址的服务！

每个主机都设有一个ARP告诉缓存，里面有所在的局域网中的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表；通过arp -a可查看，需要注意的是缓存表中的过期时间一般为20分钟，若20分钟内没有使用该表项， 则该表项失效。

发送数据流程：

场景一：源A和目的B节点均位于相同的网络中

为了发送数据报，该源必须向它的适配器不仅提供IP数据报，而且还有B的MAC地址；由于在ARP之前，只能在IP数据报中获得B的IP地址，通过ARP协议查看缓存表中是否有匹配到的B的MAC地址，如果有的话，发送适配器将构造一个包含目的地的MAC地址的链路层帧，并把该帧发送进局域网；

但是若A的ARP缓存表中没有匹配到B的MAC地址，则此时A端构造一个包含发送和接收IP地址及MAC地址的ARP查询分组，并且在链路层中封装该分组，用广播地址作为帧的目的地址，并将该帧传输进子网中。此时当前子网中的所有其他适配器收到，并判断自己所对应的IP地址是否与ARP分组中的目的IP地址匹配，与之匹配的节点发送回一个带有所希望映射的响应ARP分组。然后A更新自己的ARP表，并发送IP数据报。

需要注意的是：查询ARP报文是在广播帧中发送的，而响应ARP报文是在一个标准帧中发送！整个过程图示如下：

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场景二：源和目的不在同一个子网

当主机A在封装数据包时检测到目标主机并不在本网段，在这时，数据包不能把目标主机的MAC地址顺利封装进去，那么就用到另一种方法，那就是网关，主机A在准备发向主机B的数据中，封装好自己的IP地址和MAC地址，同时也封装好目标主机B的IP地址，数据包封装到这里，主机A就利用上面得到同网段目标主机B的方法去请求得到网关的MAC地址，同样也是用ARP去广播，因为网关必须和本机在同一网段，理所当然，网关能够收到这个ARP请求并能正确回应给主机A，这时主机A在数据包中封装好自己的IP地址和MAC地址，同时也封装好目标主机B的IP地址和网关的MAC地址，把数据包从网卡发出去，因为目标MAC是网关的，所以网关收到这个数据包后，发现目标MAC是自己，而目标IP却是别人，所以它不可以再往上打开这个数据包，它要做的工作就是把这些数据包发给下一跳路由器（如果网关自身就是一台路由器的话），如果网关是一台普通PC，那么它就发给路由器，让路由器把这些数据包正确传输到远程目标网络，到达远程网络后，它们的网关再将数据包发给数据包中的目标IP，即源主机A苦苦寻找的目标主机B，从而真正结束不同网络之间的通信，回应的数据包也是用同样的方法到达目的地，在这里，还需要注意的是，当网关把数据包发给下一跳路由器时，这个数据包必须由网关把目标MAC改成下一跳路由器的MAC地址（通过ARP得到），而源端MAC改成发出端口的MAC地址，否则下一跳路由器收到目标MAC不是自己的数据包，会丢弃不予理睬，下一跳路由器再发给下一跳路由器同样要把目标MAC地址改为下一跳路由器的MAC地址再发出去！