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

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    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

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  • 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

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  • 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

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差错检验

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  • 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

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  • 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

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  • 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

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  • 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

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  • 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

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  • 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
    • 0x7E 替换成 0x7D5E
    • 0x7D 替换成 0x7D5D
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