前言

数据链路层是 TCP/IP 协议栈中最底层的协议。

其解决的问题是：局域网内相连的主机之间数据的交付问题。

本文主要基以太网来进行数据链路层的介绍。

1. 数据链路层简介

• 数据链路层：

  主要负责在同一个本地网络（局域网）中的两个设备之间进行数据的传输。（但是数据链路层也可以实现广域网下的两个设备之间数据的传输，此时就不涉及 MAC 了）

  • 常见的局域网通信的协议：以太网、WIFI、令牌环……

本文主要探讨的数据链路层通信的是：局域网协议以太网协议。

数据链路层的核心功能：

1. 成帧：

   将从网络层接受到的数据包（IP 数据包、局域网的 ARP 请求/应答包）大伯，添加当前数据链路层的报文信息。例如：以太网在头部添加报头信息，在尾部添加信息，形成的数据称为“帧”。这个帧在数据链路层的传输的基本单位。

2. 物理寻址：

   数据链路层还需要得到当前的目标主机（可以是路由器）的 MAC 地址（Media Access Control Address，介质访问控制地址）。在本地网络中，设备之间是不能通过 IP 地址进行直接进行通信的，而是通过一个唯一的、烧录在网卡上的物理地址 MAC 地址来进行的。

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MTU

上面谈到了数据链路层需要对上层的数据进行成帧处理。对于上层交付的数据，数据链路层是有要求的。

• MTU：

  MTU（Maximum Translation Unit，最大传输单元）相当于是对传输的数据的限制。这个限制对于不同的数据链路层对物理层进行的限制。例如：以太网中规定，以太网帧中的数据最小长度是 46 字节（当数据量不足 46 字节的时候，以太网会自己填充），最大数据长度是 1500 字节。注意这个数据量是没有计算自己的报头信息的。

由于下层数据链路层对传输的数据有大小的限制，则对上层网络层协议就会产生一定的影响：

• 当上层传输层交付的数据大于了 MTU 的时候，网络层就需要对数据进行分片。但是分片的丢包风险是很大的，所以进一步我们需要减少分片的可能。

  1. TCP：TCP 协议对数据量的传输进行了限制。滑动窗口控制发送的数据量，每一次发送的 MSS 也会受到下层 MTU 的影响。
  2. UDP：UDP 协议并没有对数据量的传输进行限制。如果需要实现流量控制，就需要应用层来限制每次发送的数据大小了。

MAC

• MAC 地址：设备的“身份证”。

  为了精准地管理交通，每台联网设备在底层数据传输都必须有一个独一无二的标识。这就是 MAC 地址：也叫做 物理地址 或 硬件地址。

  格式：通常是一个 48 位的十六进制数，看起来像这样：00-1A-2B-3C-4D-5E 或 00:1A:2B:3C:4D:5E。

  全球唯一：这个地址在设备出厂时就被固化在网卡（NIC）中，理论上全球没有两个相同的 MAC 地址。

  作用：在本地网络中（家庭Wi-Fi），数据帧的传递是靠 MAC 地址来寻址的，而不是 IP 地址。交换机通过记录每个端口对应的 MAC 地址来知道该把数据帧转发给谁。

  关于交换机，小编不做介绍，大家可以自行了解。

  如果大家想要了解数据链路层如何获取对应主机的 MAC 地址，可以参考小编的另外一文：ARP协议

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2. 以太网帧报文格式

• 如下图：

  

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• 我们需要解决两个问题：

  1. Q：以太网协议中的报头和有效载荷如何分离？

     A：以太网协议采用固定长度的报头。在数据首部有14字节的内容和尾部有4字节的内容。

  2. Q：有效载荷是如何交付给上层的？

     A：在以太网协议中有一个字段：2为类型。通过两位的类型就能得知上层是利用的上面类型的协议了。

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下面我们来详细介绍一下这些字段：

1. 目标地址 && 源地址：

   指明了目标主机/当前主机的 MAC 地址。

2. 类型：

   这是一个关键字段。指明了当前数据的上层协议是什么。例如：IPv4（0x0800）、IPv6（0x86DD）……

3. 数据：

   上层交付的数据。通常是 46~1500字节。如果不够 46 字节会进行填充。

   • 上层交付的数据会有哪些呢？

     数据链路层的上层是网络层，但是交付数据的不一定就是 IP 协议。还可能交付数据的是 ARP 协议内容 / RARP 协议内容。

4. CRC：

   CRC（循环冗余校验）只，用于差错检测。覆盖范围从 “目标 MAC 地址”到“数据”结束。

5. 这里小编省略了两个字段：前导码、帧起始界定符。读者有兴趣自行了解。

3. 以太网工作场景

在以太网中进行通信，主要的设备就是交换机。

• 交换机的记录：

  • 当一台设备（比如说：主机A）第一次发送一个帧的时候，交换机就会把这个帧的源 MAC 地址和它来自哪一个端口号（不是传输层的端口，而是物理的端口）记录在字节的 MAC 地址表中。很快地，交换机就会获取到整个局域网中所有设备的 MAC 地址和端口的对应关系。

• 交换机的工作：

1. 当一个帧到达交换机的时候，交换机查看帧的目标 MAC 地址。

2. 然后查看自己的 MAC 地址表：

   • 进行单播：如果表中有这个目标 MAC 地址，交换机就会把这个帧只从对应的端口进行发送。完成精准投递。
   • 进行广播：如果目标 MAC 地址是 FF:FF:FF:FF:FF:FF，交换机就会把这个帧从除了来源端口的所有端口都发送出去。
   • 进行未知单播：如果目标 MAC 不存在，则采取广播方式。