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  • TCP/IP数据包格式详解-包括数据链路层的头部
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  • 数据链路层详解

    万次阅读 多人点赞 2019-01-21 10:40:14
    网络数据链路层对比: 网络是进行地址管理和路由选择的,它是为数据报的转发找出一条来,而数据链路层解决的是两个结点直接的数据交换,数接近于物理的概念。 了解以太网: “以太网” 不是一种具体的...

    数据链路层

    主要功能:用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行信息传递。

    网络层和数据链路层对比: 网络层是进行地址管理和路由选择的,它是为数据报的转发找出一条路来,而数据链路层解决的是两个结点直接的数据交换,数接近于物理层的概念。

    了解以太网:

    • “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 它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
    • 以太网中的网线必须使用双绞线,传输速率有10M, 100M, 1000M等
    • 以太网是当前应用广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等

    以太网MAC帧格式:
    在这里插入图片描述

    • 由上图可以看出帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP(现在已经弃用)
    • 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。

    关于MAC地址:

    • MAC地址是用来识别数据链路层中相连的结点
    • MAC地址长度为48位, 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)
    • MAC地址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)

    为什么存在MAC地址还需要IP地址去标识互联网中的一台主机呢?

    在数据链路层,存在多种异构的网络,比如以太网、令牌环网等,也就是数据链路层存在多种MTU,既多种不同的传输信道,如果只有MAC地址,在不同的网络之间是每有办法传输的,只能在MAC地址上封装一次抽象的IP地址来封装底层各种不同的网络。

    MAC地址和IP地址的对比:

    • 一个数据报中的源IP地址和目的IP地址是为了标识这个数据的起点和终点
    • 源MAC地址和目的MAC地址是为了标识上一站的地址和下一站的地址
    • 在一个数据报的传输过程中,IP一直不变,而MAC地址是一直在变的

    关于MTU(最大传输单元): MTU相当于在发寄快递的时候对包裹的限制,这个限制是不同的链路层对应的物理层的限制。

    • MAC帧中的数据长度规定为46-1500字节,ARP(地址解析协议)数据包的长度不够46字节要在后面补填充位,如果大于1500字节,必须要求网络层进行分片。
    • 最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU)不同的网络类型有不同的MTU
    • 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU,则需要对数据包进行分片。

    MTU对IP协议的影响: 由于链路层存在MTU的限制,导致网络层的报文如果超过1500字节,就必须要对齐进行分片发送。

    • 将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签,每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的,这样在重组的时候就知道这个小包来自于哪个报文。
    • 每个小包的IP协议头3位标志字段中, 第2位MF置为0, 表示允许分片, 第3位DF来表示结束标记(当前是否是后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0)。
    • 到达对端时再将这些小包按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层。一旦这些小包中任意一个小包丢失,接收端的重组就会失败,但是IP层不会负责重新传输数据。

    MTU对UDP协议的影响:

    • 只要UDP报文中携带的数据超过过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)),那么就会在网络层分成多个IP数据报
    • 这些IP数据报有任意一个丢失,都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着,如果UDP数据报在网络层被分片,整个数据被丢失的概率就大大增加。

    MTU对TCP协议的影响:

    • TCP报文的长度不能无限大,依然要受制于MTU, TCP的单个数据报的大消息长度称为MSS(Max Segment Size)。
    • TCP在建立连接时,首先会和对方协商MSS的大小。理想的情况下,MSS的值正好是在IP不会被分片处理的大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的·MTU)
    • 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。然后双方得知对方的MSS值之后选择较小的作为最终的MSS。MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)。
    • MSS = MTU - TCP首部 - IP首部,既TCP报文的数据长度

    在Linux系统中可以使用ifconfig命令查看MAC、IP和MTU:
    在这里插入图片描述

    ARP协议: ARP是介于链路层到网络层之间的协议,它的作用是为了解析IP地址到MAC地址的映射,在网络层一个数据报拿到了下一条的IP地址,但是数据报是要经过底层的链路层传输的,所以要通过ARP协议得到下一条的MAC地址才能传输数据报。数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃。

    ARP协议工作原理:

    • 源主机发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”,并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)
    • 目的主机接收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中。
    • 每台主机都维护一个ARP缓存表可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟)如果20分钟内没有再次使用某个表项则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。
      在这里插入图片描述

    为什么要存在缓存表: 缓存表其实是为了提高效率的,要不然每次发送数据都要先去广播的到对端的MAC地址。

    缓存表中的数据为什么要设置有效时间: 假设在缓存表中的数据一直不变,而一台主机的网卡坏掉了,这时该主机的MAC地址已经改变,如果依然按照缓存表中的映射去发送,那么就会产生一些没用的网络数据。

    ARP数据报的格式:
    在这里插入图片描述

    • 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。
    • 硬件类型指链路层网络类型,1表示以太网
    • 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
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  • 数据链路层.pdf

    2019-08-22 17:03:57
    讨论影响网桥和路由器的...问题之一是数据链路层提供的服务应 该是可靠的还是面向数据报的。另一个问题是如何使多种网络协议并存在同一链路上。当 节点收到一个数据包时,它怎么知道这个数据包是由什么协议产生的?
  • 数据链路层 物理

    千次阅读 2019-04-29 23:12:53
    数据链路层功能 组帧(fraimg): 将高层网络层数据包封装成数据帧,增加首部,尾部 帧同步 从物理层的比特流中识别出数据帧 链路接入 若果是共享介质,需要解决信道接入 帧首部的MAC地址,用于识别数据帧的源和...

    数据链路层功能

    组帧(fraimg):
    • 将高层网络层数据包封装成数据帧,增加首部,尾部
    • 帧同步 从物理层的比特流中识别出数据帧
    链路接入
    • 若果是共享介质,需要解决信道接入
    • 帧首部的MAC地址,用于识别数据帧的源和目的
    相邻节点的可靠交付
    • 在误码率较低的有线链路很少采用
    • 无线链路误码率高
    流量控制
    • 协调相邻节点的发送和接受
    差错检测

    信号衰减和噪声会引起差错
    接收端检测差错

    差错纠正
    全双工或半双工通信控制

    链路层在“适配器(网络接口卡-NIC)”中实现

    以太网网卡,802.11网卡,以太网芯片组
    实现物理 链路层

    差错编码

    基本原理:通过增加冗余位,建立比特之间的关系
    通过冗余位是在一段数据还是多段数据获取的可将其分为分组码卷积码
    R 冗余比特 监督位
    差错编码不可能保证完全可靠
    在这里插入图片描述
    汉明距离:
    编码集的汉明距离:

    在这里插入图片描述

    Internet校验和(Checksum)
    *将数据划分为16位二进制整数序列
    *求和 补码求和 最高位进位

    • 校验和的反码

    CRC循环冗余校验码

    多路访问协议MAC

    三大类

    信道划分MAC协议
    • 多路复用技术
    随机访问MAC协议
    • 信道不划分,允许冲突
    • 采用冲突恢复机制
    • ALOHA / CSMA CSMA/CD CSMA/CA

    时隙ALOHA
    假定:

    • 所有帧大小相同
    • 事件被划分为等长的时隙(每一时隙传输1个帧)
    • 节点只能在时隙开始时刻发送帧
    • 节点间时钟同步
    • 统一时隙内两个或以上节点发送帧,既检测到冲突
      运行:
      如果冲突,则节点在下一个时隙以概率p重传该帧,直至成功。
    轮转MAC协议
    • 节点轮流使用信道
    展开全文
  • 数据链路层

    千次阅读 2019-05-30 17:13:35
    数据链路层亦存在不同的协议,每种协议可以组成一种二网络。 WIFI:计算机和无线路由器之间通过802.11协议连接 以太网:计算机和无线路由器之间通过ETHERNET II协议或者802.3协议连接,协议属于数据链路层协议 PPP...
    1. 数据链路层亦存在不同的协议,每种协议可以组成一种二层网络。
    2. WIFI:计算机和无线路由器之间通过802.11协议连接
    3. 以太网:计算机和无线路由器之间通过ETHERNET II协议或者802.3协议连接,协议属于数据链路层协议
    4. PPP:网络设备之间连接经常使用PPP协议,PPP协议作为链路层协议,有不同的接口规定
    5. 帧中继协议:帧中继(数据链路层协议),可以使用同种物理层设备来封装不同二层协议
    6. 数据链路层特点:
      a) 封装解封装
      b) 编址(物理地址)
      c) 流量控制
      d) 链路连接的维护
      e) 帧同步
      f) 差错校验
    7. 数据链路层特点一:封装解封装
      a) 数据链路层协议产生帧头
      b) 有些链路层协议同样产生帧尾
      c) 帧头包含不同内容,实现链路层不同功能,帧尾主要用于校验数据发送的正确性
    8. 数据链路层特点二:编址寻址
      a) 不同的数据链路层网会使用不同的数据链路层地址
      b) 地址封装在帧头中
      c) 以太网使用MAC地址
      d) 帧中继称为DLCI号
      e) PPP称为FF地址
    9. 物理层
    10. 将数据链路层的帧分装成比特流在物理介质中传输,通过电信号/光信号/微波信号/电磁波等表示每个帧中的比特
    11. 物理层规定了不同特性:
      a) 设备机械特性
      b) 设备电器特性
      c) 设备功能特性
      d) 设备规程特性
    12. 机械特性:
      在这里插入图片描述
    13. 电器特性
      在这里插入图片描述
    14. 设备特性
      在这里插入图片描述
    15. 规格特性
      在这里插入图片描述
    16. 交流或者通信都必须以共同的规则为前提才能正常的进行,网络设备之间也一样,这样的规则称之为“协议"。
    17. 只有运行公有协议才能保证在不同厂商设备间正常的通信。
    18. 网络设备中的通信过程非常复杂,需要多个协议配合共同完成。
    19. 多个协议一起协同工作,称之为“协议簇”。常见的协议簇有OSI协议簇和TCPIP协议簇。
    20. 接口层的作用是实现数据包在物理介质中的传输
    21. 数据包无法直接在物理介质中传输,需要转化为数据帧
      接口层首先起到了承载转化的作用,将数据包进行格式转化,数据成帧后继续转化为介质可承载的物理信号,数据帧按一定编码格式继续转化为信号,就可以在物理介质中传输了,最终数据以信号的形式在网络中传递
    22. 接口层还可以实现对传输的过程进行管理
    23. 接口层有许多协议,实现着数据陈帧转化和传输控制的功能
    24. 使用不同接口层的协议,封装出的数据帧格式不同
    25. 点到点型网络数据只能在两点之间进行传输
    26. 多路访问型网络任意两点之间均可实现通信
    27. PPP、HDLC协议只能实现数据帧的单播传输
    28. Ethernet协议可以实现数据帧的单播和广播传输
    29. Ethernet协议是使用最广泛的接口层协议
    30. 以太网协议不仅实现着接口层的基本功能,还具有以下特点:
      1) 数据帧的校验
      2) 传输模式的协商
      3) 链路带宽的自适应
      4) 多路访问冲突检测与避免
      5) 拥塞控制与链路优化利用
    31. 以太网网卡具有强大的协商和自适应机制
    32. 以太网协议具有冲突检查和避免的机制
    展开全文
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在数据链路层数据包