计算机网络——数据链路层Mac帧详解

news2024/12/26 23:55:15

前言

一、以太网

二、Mac帧

三、MTU——最大传输单元

四、Mac帧的传输过程

1.ARP协议

2.RARP协议

前言

在之前，我们学习过网络层的IP协议，了解到IP协议解决了从哪里来，到哪里去的问题，也就是提供了将数据从A到B的能力，他能指挥数据链路层应该往哪里去发送数据，但具体的执行，还得是数据链路层去干，那么数据链路层是怎样去进行数据传输的呢？

一、以太网

数据链路层中最重要也是最常用的就是以太网。

"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。

其中以太网较为重要的内容就是Mac帧。

二、Mac帧

我们来看看Mac帧的格式

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。
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。（后面会将）
帧末尾是CRC校验码，用于确保数据的正确性。

Mac帧除了数据以外长度是固定的，因此将报头与有效载荷分离就可以通过读取固定长度，将数据交付给上层处理。具体交付给上层哪一个协议，就可以通过读取类型来进行指定协议的交付。

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
长度为48位，及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)。

三、MTU——最大传输单元

MTU（Maximum Transmission Unit） 最大传输单元。

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。在以太网中，MTU 通常为 1500 字节，这意味着每个以太网帧的数据部分（即去掉以太网头部后）最大为 1500 字节。

在以太网的传统工作方式（半双工）下，多个设备可能会在同一时间尝试向网络发送数据。由于这些设备共享同一个通信信道，若多个设备同时发送数据，就会发生碰撞。当数据包过大，就会有更大的几率发送碰撞，影响通信的效率，因此规定在以太网传输的数据不能超过MTU。

如果一个数据包超过了网络链路的 MTU，IP 层会负责对数据包进行分片，然后将每个分片交给数据链路层进行传输。

四、Mac帧的传输过程

既然Mac帧要在双绞线（网线）中进行传输，那么他该如何传输的呢？你现在只知道自己的Mac地址，IP地址还有要去的IP地址，你如何知道对方的Mac地址，再发送给对方呢？

这就要使用到ARP协议。

1.ARP协议

如下是ARP协议的字段

注意到源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。
帧类型8086代表ARP 协议
硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;
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;
协议地址长度对于和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。

上面的内容我们都可以填写，而以太网目的地址怎么填写呢？

我们知道，网络协议中是存在广播的，也就是说当前局域网中所有的主机都会收到广播信号。因此我们可以将目标以太网地址给0XFFFFFFFFFFFF，代表广播。

这样该报文就会发送到局域网的所有主机，他们都会检查，目的IP地址是否为自己的IP地址，不是则丢弃不管了，若发现是自己的IP地址，再检查op字段，发现是1代表ARP请求，此时会重新填充op字段和其他字段，给源Mac发送ARP应答，源Mac主机收到了ARP应答，于是就知道了IP地址所对应的Mac地址，将内容缓冲起来，以后就知道对方的Mac地址了。

我们来举个例子

IPA在局域网广播询问谁是MacE，IPB IPC IPD 都收到了信息，但是目的IP不是自己，于是丢弃