前言

本文继续来聊聊网络传输中数据链路层中的一个代表协议, 以太网. 以太这个词其实最早出现在物理学当中, 在早期, 人们认为光是一种 “波”, 并且光能在真空中进行传播, 而波的传播需要介质. 所以在当时, 物理学家就假象在真空中存在一种物质, 称之为 “以太”. 但在后来的一次实验中, 有科学家发现光在各个方向上传播速度都是一致的, 也就推翻了 “以太” 的存在. 不过这一词并没有被抛弃, 而是被计算机界拿来使用了.

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1. 认识以太网

• “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准. 平时使用的网线也叫作 “以太网线”, 平时使用的交换机, 也叫作 “以太交换机”.
• 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.
• 数据链路层例如规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等.
• 物理层例如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.

2. 以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示:

• 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(6个字节), 是在网卡出厂时固化的.
• 帧协议类型字段有三种值, 分别对应IP, ARP, RARP.
• 帧末尾是CRC校验码.

已经有了ip地址, 为什么还要有 mac 地址呢?

我们都知道, 每一个主机都有一个自己的 ip 地址作为自己的身份象征, 那么为什么还需要有一个 mac 地址呢? 其实是由于一些历史问题导致的, 在当时设计时, ip 地址和 mac 地址被不同的组织设计出来了.

后来我们为了做区分, 才进行了统一, 让 ip 地址负责网络层转发, 而 mac 地址负责数据链路层的转发. 网络层负责的是整体的一个转发过程, 而数据链路层负责的是局部(相邻设备)的转发过程.

实际上, mac 地址的数值和 ip 地址是不完全相同的. mac 地址有6个字节, ip 地址有4个字节. 一个主机既有自己的 ip 地址, 也有自己的 mac 地址.

ip 地址, 使用4个字节, 采用点分十进制来表示, 字节之间使用 . 来分割

mac 地址, 使用6个字节, 采用十六进制来表示, 字节之间使用 - 或者 : 来分割

这两东西虽然内容不同, 但都能表示自己电脑的地址. 由于 mac 地址有6个字节, 表示的范围比 ip 地址, 要大很多. 就可以保证每个设备的网卡都能有独立的 mac 地址.

认识MTU

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.

• 从以太网帧格式可以看出, 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对IP协议的影响

回顾IP协议

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。

• 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；
• 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（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；
• 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，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

回顾UDP协议

让我们回顾一下UDP协议：

• 一旦UDP携带的数据超过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，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了。

MTU对于TCP协议的影响

回顾TCP协议

让我们再回顾一下TCP协议：

• 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（kind=2）；

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总结

✨ 本文主要讲解了数据链路层的重点协议以太网, 认识了以太网帧格式等等.
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