谈谈网络协议 - 数据链路层（ Data Link）

数据链路层（ Data Link）

• 链路：从1个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），中间没有其他交换节点

  

  案例

  上图可以看出，总共由5条链路组成：

  • 第1条：计算机0 => 路由器0，使用CSMA/CD协议，中间虽然有经过集线器，但集线器没有任何功能，就相当于一条网线
  • 第2条：路由器0 => 路由器1，使用PPP协议
  • 第3条：路由器1 => 路由器2，使用PPP协议，与上一条的数据有区别就是目标MAC与源MAC地址都会发生变化
  • 第4条：**路由器2 ** => 交换机0，使用CSMA/CD协议
  • 第5条：**交换机0 ** => 计算机1，使用CSMA/CD协议，与第4条的数据完全一样，交换机只做判断转换发哪台设备

• 数据链路：在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输

  • 不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的
    • 广播信道：CSMA/CD协议（比如同轴电缆、集线器等组成的网络）
    • 点对点信道：PPP协议（比如2个路由器之间的信道）

• 数据链路层的3个基本问题

  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错检验

封装成帧

• 帧（Frame）的数据部分
  • 就是网络层传递下来的数据包（IP数据包，Packet）
• 最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）
  • 每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限
  • 以太网的MTU为1500个字节

透明传输

• 使用SOH（Start Of Header）作为帧开始符
• 使用EOT（End Of Transmission）作为帧结束符
• 数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行转义
  • 对中间出现了SOH、EOT的数据后面添加 ESC 标识，有了这个标识就知道前面的数据是不是开始或结束符了
  • 到了接收端拆包的时候会先去掉转义字符，还原数据，这个过程被称为：透明传输

差错检验

• FCS 是根据数据部分 + 首部计算得出的，主要用于数据完整性校验
  • 在发送端生成 FCS
  • 在接收端再通过同样的算法生成 FCS，再去判断是现有的 FCS 是否一至，一至数据则是完整的
• 注：Ethernet（以太网） V2的版本是没有 帧开始符和 帧结束符的，后面会讲

CSMA/CD 协议

• CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）
  • 载波侦听多路访问/冲突检测 （多路访问：广播）
• 使用了CSMA/CD的网络可以称为是以太网（Ethernet），它传输的是以太网帧
  • 以太网帧的格式有：Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准
  • 使用最多的是：Ethernet V2标准
• 为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节
  • 如果小于 64字节，那样就监听不到冲突了，冲突监听如下：
    • 当两边都在发送数据，数据在链路中间相撞的时候如何判断数据是从哪里发过来的，再重发呢？
    • 如果两段数据都很短，那在中间碰撞肯定是不知道数据是从哪里发过来的
    • 如果数据很长，在中间碰撞的时候，这边还有数据没发送完还在继续传，这个时候就能知道数据当前是从哪里发出的，并且能中断并重发
• 用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧
  • 所以，用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网

Ethernet（以太网） V2帧的格式

• 首部：目标MAC（6字节）+源MAC（6字节） + 网络类型 （2字节）（IPV4/IPV6，用二进制表式 4 / 6）
• 尾部：FCS （4字节）（差错检验值）
• 以太网帧：首部 + 数据 + FCS（尾部）
• 帧 最小为 64 字节
• 数据的长度至少是：64 – 6 – 6 – 2 – 4 = 46字节，最多 1500
• 注：V2版本是没有 帧开始符 和 帧结束符的
  • 使用的曼彻斯特编码，接收端接收帧过程，只要发现没有信号跳变，就认为是帧结束
  • 将以太网帧传到物理层后，会在前面再加上8字节的头部数据，前7字节为前同步码（处理时钟同步之类的），后1字节为 帧开始定界符

Ethernet (以太网) V2标准

• 当数据部分的长度小于46字节时

  • 数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充，填充至46字节
  • 接收端会将添加的字节去掉

  

• 长度总结

  • 以太网帧的数据长度：46~1500字节
  • 以太网帧的长度：64~1518字节（目标MAC +源MAC + 网络类型 + 数据 + FCS）

网卡

• 网卡是具有 物理层和数据链路层的功能
  • 物理层：物理连接和数据信号同步、数据的编码与解码
  • 数据链路层：帧的封装与拆封、帧的差错校验、介质访问控制（CSMA/CD）
• 网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃
• Wireshark抓到的帧没有FCS ，因为它抓到的是差错校验通过的帧（帧尾的FCS会被硬件去掉）
  • Wireshark抓不到差错校验失败的帧

PPP协议（Point to Point Protocol）

• 点到点协议

• Address字段：图中的值是0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC、目标MAC地址
• Control字段：图中的值是0x03，目前没有什么作用
• Protocol字段：内部用到的协议类型
• 帧开始符、帧结束符：0x7E

PPP协议 - 字节填充

• 当数据中含有7D或7E时，为了解决数据冲突的问题，将对应数据进行转义
  • 将 0x7E 替换成 0x7D5E
  • 将 0x7D 替换成 0x7D5D