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0.对比理解"数据链路层"和网络层

• 决定将数据交付给下一跳路由器的时候，下一跳路由器一定和我在同一个局域网
  • 本质上的两个节点间的一跳都叫做：局域网转发(子网转发)
• 宏观上，网络的本质就是一个一个子网构成的。只不过子网和子网之间用对应的路由器进行了连接，路由器的工作就是在这么一个个子网当中不断进行转发、进行决策。所以查找的目标主机的时候必须得先找到目标主机所在的子网
• 所以网络的最后一层要解决的就是，如何做到将主机A的数据转发到同一个局域网下的路由器A，如此便可以做到后续在各自局域网中的一跳(都是局域网子网问题)

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1.以太网

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，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
  • 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

• **源地址和目的地址：**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
• 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

3.认识MAC地址

• 在局域网当中，想进行转发的时候，首先必须保证每一台主机的唯一性
  • 因为IP地址实际上是网络层的概念，所以在数据链路层当中无法去标定唯一一台主机
  • 所以对于数据数据链路层，需要一个标识主机的唯一方案：MAC地址(物理地址/网卡地址)
  • 个人理解：
    • 虽然使用IP也是可以的，毕竟在局域网内，私有IP照样是具有唯一性的
    • 但是此处数据链路层采取的是MAC地址(另一套地址方案)，主要是不想让数据链路层，有任何使用IP的方式在里面，以达到在软件上进行一定程度上的解耦
• MAC****地址用来识别数据链路层中相连的节点
  • 长度为48位，即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
  • 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)

4.以太网帧格式如何封装/解包？

• 以太网的帧格式采用的是定长报头，帧末尾CRC校验码同样也是定长
• 当数据链路层向上层网络层进行交付的时候，只需要将数据帧中的报头和有效载荷进行固定长度的分离就行了
  • 头、尾定长去掉就是有效载荷
  • 解包之后每一个字段该怎么拿，字段的位置与大小也都是固定的，很方便获取信息

5.以太网帧格式如何分用？

• 类型字段填的如果是0800，代表的就是有效载荷放的是IP报文，进而向上交付给IP层就可以了
  • 同样的还有0806、8035，以代表有效载荷的不同，从而交付给不同的软件层
    

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2.重谈局域网通信原理

0.如何形象的理解？

• 一个班级在进行点名，老师A进行点名，当点同学F的时候，老师A点名的这个行为，学生B、C、D、E是都听到了的(在坐的所有人都是听到的)，但是只有学生F答了一声到。而学生F向老师A答到的时候，同样的学生B、C、D、E也是都听到了的(在坐的所有人都是听到的)
  • 所以，可以说A和B是在进行众目睽睽之下进行定向的通讯
  • 而之所以学生B、C、D、E未做出反应，是因为老师A并未喊到他们，而他们之所以能知道喊的不是他们就是因为他们也听到了的(接收到了的)

1.理解局域网通信

• 我们先做出如下约定：
  • MAC：Ma、Mb、Mc…
  • IP：IPa、IPb、IPc…
• 收到的每一个主机拿着其中的目的地址进行对比，看是否是自己，不是就直接丢弃，是就保留，做报头和有效载荷的分离，然后将有效载荷向上进行交付
• 局域网通讯原理：直接把数据扔到局域网当中，其他目标主机自动会去识别该数据，是自己的就留下，不是自己的就丢弃
  • 通过路由器转发同理，路由器本就是局域网中的主机，其检测到是发送给其的报文就会保留并作后续转发
    
    

2.在发送数据的时候，别人也想发数据，会发生什么？

• 换句话说向网路中扔进一个数据帧，也就是扔了一个光电信号。在一个公共的介质当中，你说你的我说我的，彼此信息必定就会发送干扰
  • 也就是说：如果局域网中，同时有多台主机都在发送数据，数据之间就发送了碰撞

3.碰撞了发送方主机知道吗？

• 是知道的
• 与日常的公共场合说话的一样，所有人都听的到，包括我们自身
  • 碰撞的时候发送方的主机也是可以知道的(通过CRC校验码)，而一旦碰撞了数据也就无法使用了，所以尽量不能发生碰撞问题
• 只有发了才知道会不会碰撞，如果碰撞了就会触发避免碰撞算法 – 发送主机会休息随机时间，然后再重新发送
  • 所以数据链路层也需要可靠性

4.融会贯通理解

• **结论：**主机A向主机F发送消息，这两台主机是在做进程间通讯
  • 进程间通讯的本质是，先得让主机A和主机F看见同一份资源，而这的典型的同一份资源就是局域网，所以在读写局域网的时候，因为该局域网被所有主机共享，所以该局域网可以称为临界资源
• 而通过碰撞检测的方式(检测到碰撞，则立马根据相关算法进行重传)，一定要保证在己方发数据的时候，没有别人的干扰，这就叫做对资源进行独占
• 本质上：局域网资源是一个临界资源
  • 当进行多个主机通讯的时候，本质上要保证临界资源的数据一致性，就是任何时刻保证一个数据在发
  • 在之前的进程间通讯的学习中是采用的加锁，而在局域网中是先试试，碰撞了就根据一定算法再试试，直到成功即可

5.局域网中主机越多越好，还是越少越好？

• 主机越少越好
• 这也就是为什么局域网不能太大，如果局域网太大就会出现一发数据就碰撞的问题，导致数据发送不出去

6.如果非得在局域网中连接很多主机怎么办？

• 正因为有这种场景需要，存在一种设备 – 交换机
  • 作用：划分碰撞域
• **特性：**利用交换机将局域网划分成很多很多的子区域，这些子区域依旧属于局域网
• 工作场景：
  • 如果A想给F发送报文，可以经过交换机直接将报文给F没有任何问题。但是如果B、D、E也有类似的操作，导致发生碰撞，然后交换机识别到碰撞了，交换机就不会将数据往后转发，此时就减少了碰撞的垃圾数据填充的问题
  • 如果A向B发送消息，交换机就甄别到在其包括的局域网一侧，交换机就不会将数据转发到另一侧了
  • 这样大大减小了压力，在另一侧得数据，交换机以同样的方式进行处理
    

7.局域网数据帧发送的时候，数据帧越长越好，还是越短越好？

• 既不能太长，也不能太短
  • 越长代表着其要花费更多的时间在局域网中进行传输，更容易发送碰撞
  • 而太短也不好，太短涵盖的有效数据量又太少了

8.补充

• 在网络转发的过程中，目的IP是不变的
• MAC帧报头会发生变化
  • 因为每一个主机都有不同的MAC地址，所以当报文跳一个路由器之后，下一跳的MAC源地址与MAC目的地址就变化了
  • 所以有效数据没有变化，但是MAC帧报头是发生变化的
• 此时可重新理解体会MAC地址和IP地址
  • IP地址在整个转发过程中，尤其是目的IP是一直不变的
    • IP地址的目标一直不变带来的好处是：IP地址描述的是路途总体的起点和终点
  • MAC****地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点

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