数据链路层
主要功能：用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行信息传递。
网络层和数据链路层对比： 网络层是进行地址管理和路由选择的，它是为数据报的转发找出一条路来，而数据链路层解决的是两个结点直接的数据交换，数接近于物理层的概念。
了解以太网：
- “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 它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
以太网MAC帧格式：
- 由上图可以看出帧协议类型字段有三种值,分别对应
IP、ARP、RARP(现在已经弃用) - 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。
关于MAC地址：
- MAC地址是用来识别数据链路层中相连的结点
- MAC地址长度为48位, 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) - MAC地址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)
为什么存在MAC地址还需要IP地址去标识互联网中的一台主机呢？
在数据链路层，存在多种异构的网络，比如以太网、令牌环网等，也就是数据链路层存在多种MTU，既多种不同的传输信道，如果只有MAC地址，在不同的网络之间是每有办法传输的，只能在MAC地址上封装一次抽象的IP地址来封装底层各种不同的网络。
MAC地址和IP地址的对比：
- 一个数据报中的源IP地址和目的IP地址是为了标识这个数据的起点和终点
- 源MAC地址和目的MAC地址是为了标识上一站的地址和下一站的地址
- 在一个数据报的传输过程中，IP一直不变，而MAC地址是一直在变的
关于MTU(最大传输单元)： MTU相当于在发寄快递的时候对包裹的限制，这个限制是不同的链路层对应的物理层的限制。
- MAC帧中的数据长度规定为46-1500字节,
ARP(地址解析协议)数据包的长度不够46字节要在后面补填充位，如果大于1500字节，必须要求网络层进行分片。 - 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,则需要对数据包进行分片。
MTU对IP协议的影响： 由于链路层存在MTU的限制，导致网络层的报文如果超过1500字节，就必须要对齐进行分片发送。
- 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，这样在重组的时候就知道这个小包来自于哪个报文。
- 每个小包的
IP协议头的3位标志字段中, 第2位MF置为0, 表示允许分片, 第3位DF来表示结束标记(当前是否是后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0)。 - 到达对端时再将这些小包按顺序重组, 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。
MTU对UDP协议的影响：
- 只要UDP报文中携带的数据超过过
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。 - 这些
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。
MTU对TCP协议的影响：
- TCP报文的长度不能无限大，依然要受制于MTU， TCP的单个数据报的大消息长度称为MSS(Max Segment Size)。
- TCP在建立连接时，首先会和对方协商MSS的大小。理想的情况下，
MSS的值正好是在IP不会被分片处理的大长度(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的MSS。MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)。
- MSS = MTU - TCP首部 - IP首部，既TCP报文的数据长度
在Linux系统中可以使用ifconfig命令查看MAC、IP和MTU：
ARP协议： ARP是介于链路层到网络层之间的协议，它的作用是为了解析IP地址到MAC地址的映射，在网络层一个数据报拿到了下一条的IP地址，但是数据报是要经过底层的链路层传输的，所以要通过ARP协议得到下一条的MAC地址才能传输数据报。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。
ARP协议工作原理：
- 源主机发出ARP请求，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。
为什么要存在缓存表： 缓存表其实是为了提高效率的，要不然每次发送数据都要先去广播的到对端的MAC地址。
缓存表中的数据为什么要设置有效时间： 假设在缓存表中的数据一直不变，而一台主机的网卡坏掉了，这时该主机的MAC地址已经改变，如果依然按照缓存表中的映射去发送，那么就会产生一些没用的网络数据。
ARP数据报的格式：
- 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表示以太网
- 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，op字段为2表示ARP应答