TCP/IP 系列文章
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識（一）
TCP/IP基礎(chǔ)知識（二）
物理層（三）
數(shù)據(jù)鏈路層（四）
IP 協(xié)議（五）
IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù)（六）
TCP與UDP（七）
一、數(shù)據(jù)鏈路層
1.1 數(shù)據(jù)鏈路層概覽
數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，其設(shè)計的初衷就是順利為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，不考慮可靠性，可靠性的部分由傳輸層的TCP協(xié)議實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)鏈路層中，數(shù)據(jù)不再像物理層那樣以 0、1 序列的形式存在，它們被分割為一個一個的 “幀” ，然后再進行傳輸。
如上圖中，箭頭表示數(shù)據(jù)的具體流動方向和過程。其中路由器負責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)（需要最高層到網(wǎng)絡(luò)層進行 IP 協(xié)議的分析）。
數(shù)據(jù)鏈路的信道主要有兩種模式：點對點信道和廣播信道。前者使用一對一的點對點通信方式；后者使用一對多的廣播通信方式，過程比較復(fù)雜。針對上圖我們也可以在邏輯上將整個通信過程看成是兩端數(shù)據(jù)鏈路層之間點對點的通信，如下圖。
1.2 數(shù)據(jù)鏈路和鏈路的區(qū)別
- 鏈路的是指從一個結(jié)點到相鄰結(jié)點的一段物理線路，其中沒有任何其他的交換結(jié)點。
- 數(shù)據(jù)鏈路則是指在物理線路上添加上控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議的硬件和軟件。因此數(shù)據(jù)鏈路是比鏈路更為深刻的內(nèi)涵。
1.3 數(shù)據(jù)鏈路層具體過程
數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單元為“幀”，數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是將上層的數(shù)據(jù)封裝成幀交給物理層傳輸和分析物理層提交的數(shù)據(jù)幀，提取出上層數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)層。
具體過程如下：
- 1、信源的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的 IP 數(shù)據(jù)報添加首部和尾部封裝成幀。如何封裝成幀，請看 1.4 小節(jié)。
- 2、信源把封裝好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給信宿的數(shù)據(jù)鏈路層；
- 3、若新宿的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報上交給網(wǎng)絡(luò)層，否則丟棄這個幀；
1.4 封裝成幀
數(shù)據(jù)鏈路層的主要工作是添加一個幀頭部和幀尾部，不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可能格式不同，但是基本格式都差不多。
這里的數(shù)據(jù)部分，一般有一個最大程度，我們稱為MTU，在 MAC 物理地址里一般是1500個字節(jié)。這里要說的是，當(dāng)數(shù)據(jù)是由可打印的 ASC2 碼組成的文件時，可以使用特殊的幀定字符來標(biāo)明一個幀的開始和結(jié)束。比如使用 SOH(Start Of Header) - - 0x01 和 EOT(End Of Transmission) -- 0x04 來表示，這樣數(shù)據(jù)鏈路層就可以識別出幀的開始和結(jié)束部位。
二、數(shù)據(jù)鏈路相關(guān)技術(shù)
數(shù)據(jù)鏈路層中幾個重要的概念：分組交換、MAC 地址、根據(jù) MAC 地址轉(zhuǎn)發(fā)、錯誤檢測等。
2.1 分組交換
分組交換是指將較大的數(shù)據(jù)分割為若干個較小的數(shù)據(jù)，然后依次發(fā)送。使用分組交換的原因是不同的數(shù)據(jù)鏈路有各自的最大傳輸單元(MTU: Maximum Transmission Unit)。不同的數(shù)據(jù)鏈路就好比不同的運輸渠道，一輛卡車(對應(yīng)通信介質(zhì))的載重量為 5 噸。那么通過卡車運送 20 噸的貨物就需要把這些貨物分成四部分，每份重 5 噸。如果運輸機的載重量是 30 噸，那么這些貨物不需要分割，直接一架運輸機就可以拉走。
以以太網(wǎng)(一種數(shù)據(jù)鏈路)為例，它的MTU是 1500 字節(jié)，也就是通過以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，必須分割為若干幀，每個幀的數(shù)據(jù)長度不超過 1500 字節(jié)。如果上層傳來的數(shù)據(jù)超過這個長度，數(shù)據(jù)鏈路層需要分割后再發(fā)送。
2.2 MAC地址
MAC 地址是被錄入到網(wǎng)卡 ROM 中的一串?dāng)?shù)字，長度為 48 比特，它在世界范圍內(nèi)唯一(不考慮虛擬機自定義 MAC 地址)。由于 MAC 地址的唯一性，它可以被用來區(qū)分不同的節(jié)點，一旦指定了 MAC 地址，就不可能出現(xiàn)不知道往哪個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的情況。
2.3 幀的格式
關(guān)于幀的格式，這里以以太網(wǎng)幀為例說明。
如上圖，以太網(wǎng)幀最前端有一個前導(dǎo)碼，由數(shù)字0和1組合而成，表示以太網(wǎng)幀的開始，也是對端網(wǎng)卡能夠確保預(yù)期同步的標(biāo)志。前導(dǎo)碼的末尾是一個叫做 SFD 的域，值為 11 。在這個域之后是以太網(wǎng)的本體。
一臺網(wǎng)幀本體的前端是以太網(wǎng)的首部，公 14 個字節(jié)。分別是 6 個字節(jié)的目標(biāo) MAC 地址、6 個字節(jié)的源 MAC 地址以及 2 個字節(jié)的上層協(xié)議類型。緊隨其后的是數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)幀能容納數(shù)據(jù)的范圍是 46 - 1500 字節(jié)。幀末尾是一個 4 個字節(jié)的 FCS（幀檢驗序列）。關(guān)于 FCS 看下面的 2.4。
2.4 錯誤檢測
現(xiàn)實的通信鏈路都不會是理想的，這就是說，傳輸過程中有可能1 變成 0 或 0 變成 1 ，這種情況就叫做比特差錯。數(shù)據(jù)鏈路層提供了循環(huán)冗余檢驗 CRC 方法來檢測比特差錯，其主要使用了幀檢驗序列 FCS 來檢測比特錯誤。發(fā)送數(shù)據(jù)前先計算幀的數(shù)據(jù)部分得出 FCS 添加在數(shù)據(jù)部分后，接收端收到數(shù)據(jù)后添加上 FCS 后計算驗證。
需要注意的是數(shù)據(jù)鏈路層并沒有向網(wǎng)絡(luò)層提供可靠傳輸服務(wù)，傳輸差錯一類是比特差錯，還有一類是幀丟失、幀重復(fù)或幀失序。完整的傳輸錯誤控制是在TCP中實現(xiàn)的。
2.5 交換機自學(xué)過程
交換機是一種在數(shù)據(jù)鏈路層工作的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它有多個端口，可以連接不同的設(shè)備。交換機根據(jù)每個幀中的目標(biāo) MAC 地址決定向哪個端口發(fā)送數(shù)據(jù)，此時需要參考“轉(zhuǎn)發(fā)表”
轉(zhuǎn)發(fā)表并非手動設(shè)置，而是交換機自動學(xué)習(xí)得到的。當(dāng)某個設(shè)備向交換機發(fā)送幀時，交換機將幀的源 MAC 地址和接口對應(yīng)起來，作為一條記錄添加到轉(zhuǎn)發(fā)表中。這一過程就叫做自學(xué)過程。自學(xué)過程的詳細流程如下圖。
