[面試∙網絡] TCP/IP（一）：數據鏈路層

背景

這一系列的文章主要是爲通常的、非專業開發崗位(如移動端)的工程師準備，一方面能夠對網絡的基本知識有基本的瞭解，另外一方面不至於面試中被問到相關問題時一籌莫展。知識以 TCP/IP 協議簇爲主，也會有應用層和數據鏈路層的簡單介紹。

文章內容不會很難，也不會過多討論各類算法，目標是以最快的速度達到最深的理解。內容確定比直接百度搜索「TCP/IP協議」，而後隨便看一篇文章要豐富得多，但也不足以讓讀者憑此就能勝任網絡開發的工做。

誠然，面試以 TCP/UDP/HTTP 等協議爲主，IP 協議都涉及甚少，更遑論數據鏈路層等。但我但願能夠從原理上理解那些問題，而不是臨時抱佛腳，背了一些答案而後在面試後忘乾淨。不要爲面試而準備面試，爲了完善本身的知識體系而準備。若是你以爲這正是你須要的，Let's Begin！

OSI七層模型和協議

在這一節中，咱們不談這些層和協議的具體做用，目前只要知道 OSI 模型中，網絡被分爲七層，由底層向高層依次是：物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層，會話層，表示層和應用層。

協議是一個 Big 很高，出現很頻繁的詞。其實它很好理解，它其實是一種通訊雙方共同遵照的規範。好比我須要把性別和年齡傳遞給另一臺主機，那麼我能夠定義一個"A 協議"，協議規定數據的前 4 個字節表示性別，後四個字節表示年齡。這樣對方主機接收時就知道前 4 個字節是性別，而不會錯把它當成年齡來處理。

整個互聯網世界可以運行，徹底得益於各個軟件、硬件廠商嚴格遵照現有的協議。以 IP 協議爲例，你能夠隨便修改它，而後本身弄出一個 IP2 協議，只不過沒有人承認、遵照這個協議，因此它毫無用武之地。

物理層

物理層處於 OSI 七層模型的最底端，它的主要任務是將比特流與電子信號進行轉換。

在計算機的世界中，一切都由 0 和 1 組成。你看到的這篇文章，在經過網絡傳輸到你電腦的過程當中，天然也是以 0 和 1 的形式存在。可是網絡傳輸的介質(好比光纖，雙絞線，電波等)中顯然是不存在 0 和 1 的。好比在光線中，數據經過光的形式傳遞。0 和 1 以光的亮滅表示，其中的轉換由物理層完成。

若是沒有物理層，由 0 和 1 構成的比特流就沒法在物理介質中傳播。

數據鏈路層

數據鏈路層處於 OSI 七層模型的第二層，它定義了經過通訊介質相互鏈接的設備之間，數據傳輸的規範。

在數據鏈路層中，數據再也不以 0、1 序列的形式存在，它們被分割爲一個一個的「幀」，而後再進行傳輸。

數據鏈路層中有兩個重要的概念：MAC 地址和分組交換。

MAC地址

MAC 地址是被燒錄到網卡 ROM 中的一串數字，長度爲 48 比特，它在世界範圍內惟一(不考慮虛擬機自定義 MAC 地址)。因爲 MAC 地址的惟一性，它能夠被用來區分不一樣的節點，一旦指定了 MAC 地址，就不可能出現不知道往哪一個設備傳輸數據的狀況。

分組交換

分組交換是指將較大的數據分割爲若干個較小的數據，而後依次發送。使用分組交換的緣由是不一樣的數據鏈路有各自的最大傳輸單元(MTU: Maximum Transmission Unit)。不一樣的數據鏈路就比如不一樣的運輸渠道，一輛卡車(對應通訊介質)的載重量爲 5 噸。那麼經過卡車運送 20 噸的貨物就須要把這些貨物分紅四部分，每份重 5 噸。若是運輸機的載重量是 30 噸，那麼這些貨物不須要分割，直接一架運輸機就能夠拉走。

以以太網(一種數據鏈路)爲例，它的MTU是 1500 字節，也就是經過以太網傳輸的數據，必須分割爲若干幀，每一個幀的數據長度不超過 1500 字節。若是上層傳來的數據超過這個長度，數據鏈路層須要分割後再發送。

以太網幀

咱們用以太網舉例，介紹一下以太網幀的格式。

以太網幀的開頭是「前導碼(Preamble)」，長度爲 8 字節，這一段沒什麼用，重點在於以太網幀的本體。

本體由首部，數據和 FCS 三部分組成：

類型部分存儲了上層協議的編號，好比上層是 IP 協議，則編號爲 0800。

FCS 表示幀校驗序列(Frame Check Sequence)，用於判斷幀是否在傳輸過程當中有損壞(好比電子噪聲干擾)。FCS 保存着發送幀除以某個多項式的餘數，接收到的幀也作相同計算，若是獲得的值與 FCS 相同則表示沒有出錯。

交換機

交換機是一種在數據鏈路層工做的網絡設備，它有多個端口，能夠鏈接不一樣的設備。交換機根據每一個幀中的目標 MAC 地址決定向哪一個端口發送數據，此時它須要參考「轉發表」

轉發表並不是手動設置，而是交換機自動學習獲得的。當某個設備向交換機發送幀時，交換機將幀的源 MAC 地址和接口對應起來，做爲一條記錄添加到轉發表中。

下圖描述了交換機自學過程的原理

關於數據鏈路層，最重要的一點仍是它的定義：「經過通訊介質相互鏈接的設備之間，數據傳輸的規範」。這說明數據鏈路層的協議適用於處於同一種數據鏈路兩端的節點。若是不能理解這一點，就沒法理解網絡層和 IP 協議。

數據鏈路層的意義在於，若是沒有數據鏈路層，數據只能以流的形式存在與通訊介質中，不知道該發送往哪裏，過長的數據流可能沒法在通訊介質中傳輸。