網絡-數據鏈路層小結

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數據鏈路的作用

1、封裝成幀：在每個網絡層數據報經鏈路傳送之前，幾乎所有的鏈路協議都要將其用鏈路層幀封裝起來；

2、鏈路接入：媒體訪問控制協議（MAC）協議規定了幀在鏈路上傳輸的規則；

3、可靠交付：鏈路層保證無差錯的經鏈路層移動每個網路層數據幀；

4、差錯檢驗和糾正

5、流程可畫爲如下：

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MAC地址

1、MAC地址用於識別數據鏈路中互連的節點；數據一般都是先到目標所在的局域網，再通過查詢mac地址來匹配到對應主機；

2、MAC地址全球唯一，任何一個網絡的MAC地址都不會重複；

3、一個MAC地址長48比特，也就是6字節。

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以太網幀格式

以太網幀本地的前端是以太網的首部，總共14個字節。分別是6字節的目標MAC地址，6字節的源MAC地址以及2個字節的上層協議類型，該字段以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議（包含IP，ARP，PARP）；在幀頭後緊跟着的是數據，數據字段所容納的最大數據範圍爲46~1500字節，加上首尾，有效長度爲64~1518字節（首部6+6+2，尾部4字節）。幀尾部是一個幀校驗序列，長4個字節。

關於數據的大小，規定最小爲46字節，最大爲1500字節，ARP和RARP的數據包不夠46字節，需要在後面補填充位；而1500又稱爲以太網的最大傳輸單元（MTU），不同的網絡類型有不同的MTU，若一個數據包從以太網發送到撥號鏈路上，數據包大小超過MTU，則需要對數據進行分片處理。

關於幀尾部的校驗，可以檢查幀是否有損壞。比如在傳輸過程中出現干擾，就可能影響發送數據導致亂碼位的出現，此時就可通過FCS的值將受到噪聲干擾的錯誤幀丟棄。

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關於MAC幀中上層協議字段的作用，可參考下圖：

以太網驅動程序首先根據MAC幀中的「上層協議」字段確定上層使用的到底是什麼協議，然後再交給相應的協議處理。

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地址解析協議ARP

作用：

在局域網中，網絡中實際傳輸的是「幀」，幀裏面是有目標主機的MAC地址的。在以太網中，一個主機要和另一個主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址。但這個目標MAC地址是如何獲得的呢？它就是通過地址解析協議獲得的。所謂「地址解析」就是主機在發送幀之前將目標主機的IP地址轉換成目標主機的MAC地址的過程。ARP協議的基本功能就是通過目標主機的IP地址，查詢目標主機的MAC地址，以保證通信的順利進行。協議又稱做服務，ARP協議也即ARP服務，提供把IP地址轉換成MAC地址的服務！

每個主機都設有一個ARP告訴緩存，裏面有所在的局域網中的各主機和路由器的IP地址到硬件地址的映射表；通過arp -a可查看，需要注意的是緩存表中的過期時間一般爲20分鐘，若20分鐘內沒有使用該表項， 則該表項失效。

發送數據流程：

場景一：源A和目的B節點均位於相同的網絡中

爲了發送數據報，該源必須向它的適配器不僅提供IP數據報，而且還有B的MAC地址；由於在ARP之前，只能在IP數據報中獲得B的IP地址，通過ARP協議查看緩存表中是否有匹配到的B的MAC地址，如果有的話，發送適配器將構造一個包含目的地的MAC地址的鏈路層幀，並把該幀發送進局域網；

但是若A的ARP緩存表中沒有匹配到B的MAC地址，則此時A端構造一個包含發送和接收IP地址及MAC地址的ARP查詢分組，並且在鏈路層中封裝該分組，用廣播地址作爲幀的目的地址，並將該幀傳輸進子網中。此時當前子網中的所有其他適配器收到，並判斷自己所對應的IP地址是否與ARP分組中的目的IP地址匹配，與之匹配的節點發送回一個帶有所希望映射的響應ARP分組。然後A更新自己的ARP表，併發送IP數據報。

需要注意的是：查詢ARP報文是在廣播幀中發送的，而響應ARP報文是在一個標準幀中發送！整個過程圖示如下：

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場景二：源和目的不在同一個子網

當主機A在封裝數據包時檢測到目標主機並不在本網段，在這時，數據包不能把目標主機的MAC地址順利封裝進去，那麼就用到另一種方法，那就是網關，主機A在準備發向主機B的數據中，封裝好自己的IP地址和MAC地址，同時也封裝好目標主機B的IP地址，數據包封裝到這裏，主機A就利用上面得到同網段目標主機B的方法去請求得到網關的MAC地址，同樣也是用ARP去廣播，因爲網關必須和本機在同一網段，理所當然，網關能夠收到這個ARP請求並能正確迴應給主機A，這時主機A在數據包中封裝好自己的IP地址和MAC地址，同時也封裝好目標主機B的IP地址和網關的MAC地址，把數據包從網卡發出去，因爲目標MAC是網關的，所以網關收到這個數據包後，發現目標MAC是自己，而目標IP卻是別人，所以它不可以再往上打開這個數據包，它要做的工作就是把這些數據包發給下一跳路由器（如果網關自身就是一臺路由器的話），如果網關是一臺普通PC，那麼它就發給路由器，讓路由器把這些數據包正確傳輸到遠程目標網絡，到達遠程網絡後，它們的網關再將數據包發給數據包中的目標IP，即源主機A苦苦尋找的目標主機B，從而真正結束不同網絡之間的通信，迴應的數據包也是用同樣的方法到達目的地，在這裏，還需要注意的是，當網關把數據包發給下一跳路由器時，這個數據包必須由網關把目標MAC改成下一跳路由器的MAC地址（通過ARP得到），而源端MAC改成發出端口的MAC地址，否則下一跳路由器收到目標MAC不是自己的數據包，會丟棄不予理睬，下一跳路由器再發給下一跳路由器同樣要把目標MAC地址改爲下一跳路由器的MAC地址再發出去！