數(shù)據(jù)鏈路層

• 數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)聯(lián)
• 以太網(wǎng)協(xié)議
• • 什么是以太網(wǎng)
  • 以太網(wǎng)幀格式
  • MAC地址
  • MAC地址與IP地址
• MTU
• • • MTU對TCP的影響
    • MTU對UDP的影響
• ARP協(xié)議
• • 什么是ARP協(xié)議
  • ARP數(shù)據(jù)報格式
  • ARP協(xié)議的工作流程
  • ARP局域網(wǎng)欺騙攻擊

數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)聯(lián)

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數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能就是負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸 。

在網(wǎng)絡(luò)層那篇博客中也說過，網(wǎng)絡(luò)層是點對點之間的通信。主要通過IP協(xié)議描述起點到終點。而鏈路層則是對網(wǎng)絡(luò)層的補充，負(fù)責(zé)在起點到終點的路徑中，每一個相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)心的是從起點到終點

鏈路層則關(guān)心的是其中路徑上的每一個相鄰節(jié)點的通信

舉個例子，比如我們要去旅游，我們頂下目標(biāo)，從北京前往北海道。這即是我們所描述的起點與終點。
而光有起點和終點不行，還需要描述途中的行程，如先從北京坐車到某某機場，然后再從某某機場轉(zhuǎn)機到地點A，再從地點A，再從地點A坐船來到北海道，這邊是途中所規(guī)劃的路徑。

這個從起點到終點的整個行程表就相當(dāng)于我們的網(wǎng)絡(luò)層。而這一個一個的地點的移動，也就是具體的行程方式與途徑，就相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層。
如果沒有了行程表，即使知道出行方式和途徑也不知道具體的路徑。而只知道行程表，不通過具體的通行也只能停留在原地。這就是網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的關(guān)系。

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以太網(wǎng)協(xié)議

什么是以太網(wǎng)

• 以太網(wǎng)" 不是一種具體的網(wǎng)絡(luò), 而是一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn); 既包含了數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容, 也包含了一些物理層的 內(nèi)容. 例如: 規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 訪問控制方式, 傳輸速率等;
• 例如以太網(wǎng)中的網(wǎng)線必須使用雙絞線; 傳輸速率有10M, 100M, 1000M等;
• 以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù); 和以太網(wǎng)并列的還有令牌環(huán)網(wǎng), 無線LAN等

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以太網(wǎng)幀格式

• 32位源MAC地址/目的MAC地址：表示發(fā)送端/接收端的MAC地址，用于描述識別相鄰的設(shè)備。
• 16位上層協(xié)議：記錄了上層網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，用于數(shù)據(jù)分用時選擇上層解析的協(xié)議
• 32位FCS：幀尾，包含校驗和在內(nèi)。

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MAC地址

MAC地址即相鄰設(shè)備定位的地址，也就是物理網(wǎng)卡的硬件地址，標(biāo)識每一塊網(wǎng)卡，在兩塊網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)傳輸起到作用。

• MAC地址用來識別數(shù)據(jù)鏈路層中相連的節(jié)點;
• 長度為48位, 及6個字節(jié). 一般用16進制數(shù)字加上冒號的形式來表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• 在網(wǎng)卡出廠時就確定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虛擬機中的mac地址不是真實的mac地址, 可 能會沖突; 也有些網(wǎng)卡支持用戶配置mac地址)

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MAC地址與IP地址

• IP地址描述的是路途總體的 起點 和 終點;
• MAC地址描述的是路途上的每一個區(qū)間的起點和終點;

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MTU

MTU即Maximum Transmission Unit， 最大傳輸單元。它其實就是以太網(wǎng)協(xié)議幀的長度限制，用來通知對方所能接受數(shù)據(jù)服務(wù)單元的最大尺寸，說明發(fā)送方能夠接受的有效載荷大小，默認(rèn)為1500。

• 以太網(wǎng)幀中的數(shù)據(jù)長度規(guī)定最小46字節(jié),最大1500字節(jié),ARP數(shù)據(jù)包的長度不夠46字節(jié),要在后面補填充 位;
• 最大值1500稱為以太網(wǎng)的最大傳輸單元(MTU),不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的MTU;
• 如果一個數(shù)據(jù)包從以太網(wǎng)路由到撥號鏈路上,數(shù)據(jù)包長度大于撥號鏈路的MTU了,則需要對數(shù)據(jù)包進行分 片(fragmentation);
• 不同的數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的MTU是不同的;

因為MTU限制了數(shù)據(jù)幀的大小，所以其對上層也有影響。例如而在網(wǎng)絡(luò)層中，IP數(shù)據(jù)報中的UDP報文，雖然沒有超過數(shù)據(jù)報長度，但如果其大小大于MTU，其就得在網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)分片，然后傳送到對端后再在網(wǎng)絡(luò)層組織數(shù)據(jù)。所以MTU對傳輸層有著一定的影響。

MTU對TCP的影響

因為TCP協(xié)議在進行三次握手的時候，雙方就約定好了一個MSS（最大數(shù)據(jù)段協(xié)商，取通信雙方最小的那一個）。因為TCP是面向字節(jié)流的傳輸，所以每次發(fā)送數(shù)據(jù)時，其就從發(fā)送緩沖區(qū)中取出不大于MSS的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，也就是說, TCP在傳輸層會自動進行數(shù)據(jù)的分片， 所以其在網(wǎng)絡(luò)層不會分片。

MSS = MTU - 最小IP報頭長度 - 最小TCP報頭長度。
因為MTU默認(rèn)為1500，所以MSS默認(rèn)為1460，即1500 - 20 - 20。

MTU對UDP的影響

因為UDP中不存在MSS，所以其數(shù)據(jù)只要小于最大數(shù)據(jù)報大小就可以傳輸。但是在其封裝到網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議數(shù)據(jù)報時，雖然大小不超過最大數(shù)據(jù)報大小，但是如果超過MTU，即數(shù)據(jù)無法一次性在鏈路層發(fā)送，所以此時就會在網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)分片。
而問題來了，UDP是不可靠的，他不能保證數(shù)據(jù)能夠安全到達對端，所以在傳輸過程中，一旦有任何一個分片出問題，那么整個UDP報文都會被丟棄。這也就以為著，如果UDP傳輸中，分片越多，在傳輸?shù)臅r候出現(xiàn)問題的幾率也就越大。所以這時候就需要我們在應(yīng)用層使用UDP協(xié)議的時候就需要考慮到MSS的問題，將UDP數(shù)據(jù)報按照計算的MSS進行分包處理。
默認(rèn)的UDP MSS 為 1500 - 20 - 8 = 1472

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ARP協(xié)議

什么是ARP協(xié)議

在進行網(wǎng)絡(luò)通信時，網(wǎng)絡(luò)層只給出了起點與終點的IP地址，那么數(shù)據(jù)鏈路層又是怎么通過IP地址來獲取路徑中每一個相鄰設(shè)備的MAC地址呢？答案就是使用了ARP協(xié)議。

ARP協(xié)議：
是一個介于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的一個協(xié)議，其主要作用就是通過IP地址來獲取MAC地址。

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ARP數(shù)據(jù)報格式

• 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太網(wǎng)首部和ARP請求中各出現(xiàn)一次,對于鏈路層為以太網(wǎng)的情況 是多余的,但如果鏈路層是其它類型的網(wǎng)絡(luò)則有可能是必要的。
• 硬件類型指鏈路層網(wǎng)絡(luò)類型,1為以太網(wǎng);
• 協(xié)議類型指要轉(zhuǎn)換的地址類型,0x0800為IP地址;
• 硬件地址長度對于以太網(wǎng)地址為6字節(jié);
• 協(xié)議地址長度對于和IP地址為4字節(jié);
• op字段為1表示ARP請求,op字段為2表示ARP應(yīng)答。

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ARP協(xié)議的工作流程

ARP協(xié)議如何獲取相鄰設(shè)備的MAC地址呢？
首先，按照上面的協(xié)議格式，封裝ARP請求。然后將ARP請求廣播到整個局域網(wǎng)中，然后相鄰設(shè)備收到這個ARP請求時，就會查看其中的目的IP地址是否與自己相同，如果相同，則組織ARP響應(yīng)，將自己的MAC地址回復(fù)回去，源端收到后，就會對ip地址和MAC地址的關(guān)系進行映射緩存，緩存時間一般是20分鐘。而如果不符合，則直接丟棄，什么都不做。

• 源主機發(fā)出ARP請求,詢問“IP地址是192.168.0.1的主機的硬件地址是多少”, 并將這個請求廣播到本地網(wǎng) 段(以太網(wǎng)幀首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示廣播);
• 目的主機接收到廣播的ARP請求,發(fā)現(xiàn)其中的IP地址與本機相符,則發(fā)送一個ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包給源主機,將自 己的硬件地址填寫在應(yīng)答包中;
• 每臺主機都維護一個ARP緩存表,可以用arp -a命令查看。緩存表中的表項有過期時間(一般為20分鐘),如 果20分鐘內(nèi)沒有再次使用某個表項,則該表項失效,下次還要發(fā)ARP請求來獲得目的主機的硬件地址

ARP緩存為什么只存在一段時間后就會失效？
這個主要涉及到MAC地址與IP地址的映射原理。因為現(xiàn)在的IP地址基本都是DHCP動態(tài)分配的，主機發(fā)送DHCP請求給路由器，路由器收到后給主機動態(tài)分配IP地址。而IP地址改變后，原來的映射關(guān)系就會發(fā)生變化，所以ARP緩存不能存在太長時間，需要及時更新。

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ARP局域網(wǎng)欺騙攻擊

從上面ARP協(xié)議的工作流程可以看出，ARP請求廣播是具有風(fēng)險的。如果在相鄰設(shè)備中有惡意的主機，如果其收到了我們的ARP廣播請求，他此時就可以偽裝成我們的目標(biāo)主機IP地址，將他的MAC地址響應(yīng)給我們，這是我們就會將數(shù)據(jù)發(fā)送給他，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被截獲。

解決的方法也很簡單，在防火墻中設(shè)置一個MAC白名單即可，只將數(shù)據(jù)發(fā)送給局域網(wǎng)中信任的設(shè)備即可。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络 | 数据链路层 ：ARP协议、以太网协议、MTU的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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