网络原理（五）数据链路层数据帧报文格式解析

前言

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对于网络通信的解析是按照TCP/IP 五层结构来解析的：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
上篇网络通信（四）博客中详细解析了网络层，现在还剩下数据链路层和物理层，物理层是纯硬件内容，程序员是接触不到的，这篇博客就会解析数据链路层，数据链路层的知识铁汁们大概了解下即可，绝大多数Java开发也不会接触到数据链路层
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1，协议

最常见的数据链路层协议：

1. 以太网（IEEE 802.3）
   通过网线/光纤进行传输的网络
2. WiFi（IEEE 802.11）
   无线信号

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）就是电气和电子工程师协会，网络通信中的很多标准都是这个学会中的大佬制定的

2，数据帧报文格式

在数据链路层这部分不叫数据包/报，一般叫做数据帧，数据帧解析如下：

1. 目的地址/源地址（6个字节）：表示MAC地址
2. 类型（2个字节）：表示接收方接收数据时，数据帧的载荷部分要交给网络层的哪个协议来处理（IPv4、IPv6、其他协议）
3. 数据部分（46 - 1500个字节）：上篇博客提到IP数据报的长度最大为64KB，而这里数据部分的最大存储仅为1500B，当IP数据报的长度大于1500B时，网络层 IP 协议把这个大 IP 数据报切割成多个 IP 分片，每一个分片的总长度 ≤1500 字节，每个分片，各自封装成独立以太网帧发送
4. CRC（4个字节）：校验比特翻转

这里重点要解析的就是MAC地址，MAC地址的长度是6个字节，也就是48个比特位，IP地址是4个字节，也就是32个比特位，有42亿多种不同的组合

MAC地址的组合数：2 ^ 16 * 42亿 = 65536 * 42亿，这是个非常大的数，足够给每个设备分配个唯一的MAC地址，计算机/手机都有网卡，每台设备的MAC地址在网卡出厂时就已经写死了，因此mac地址也会作为一台机器的身份标识

很多外挂、破解软件、付费脚本就会做设备绑定，这个设备绑定就是通过计算机的MAC地址、主板序列号、CPU序列号…来进行绑定，这样保证卖出去一份只能在一台计算机上使用，防止买家买了之后到处分享、倒卖🐵

在cmd中输入ipconfig /all，无线局域网适配器WLAN部分的物理地址就是当前计算机无线网卡的MAC地址，MAC地址是用十六进制来表示的，两个十六进制数相当于是一个字节，字节之间通常使用"-" 或" :"来分隔开

• 在一些普通路由转发的场景下，是不涉及NAT机制的（例如企业内网之间的互通），这样在中途转发过程中源IP和目的IP是不会改变的，但是源MAC和目的MAC就都会改变，例如规划的路径是A -> B -> C，原来的源MAC和目的MAC分别是A和B，数据发到B之后，源MAC和目的MAC就分别变成了B和C

• 在NAT场景下，IP 头部会被 NAT 修改；同时二层 MAC 地址，依然每一跳路由都改变。两者是两套独立的修改，同时发生

其实理论上数据链路层也可以使用IP地址，网络层用MAC地址，这两套机制各司其职有各司其职的好处，这里就不再详细解析了
因为数据链路层对于绝大多数Java业务开发是完全接触不到的，因此这里铁汁们只是简单了解下数据链路层的相关知识即可🐵

类型部分是两个字节，表示帧里面数据部分封装的是什么协议，这部分表示是用4个十六进制数字表示的，主要有四种：

• 0800 → IPv4（交给网络层 IPv4 处理）
• 86DD → IPv6（交给网络层 IPv6 处理）
• 0806 → ARP（已知 IP，查 MAC）
• 8035 → RARP（已知MAC，查IP）

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）
也就是已知 IP，查 MAC ：要发消息给同局域网另一台电脑，知道对方 IP，但不知道对方网卡 MAC 地址，这时计算机就向局域网中发一个广播包（喊给局域网里所有人：谁是 192.168.1.100？你的 MAC 是多少）
局域网所有机器都收到这个询问，IP匹配的那个机器会进行回复，这样就能得到这个机器的MAC地址，得到后把「IP-MAC 对应关系」存到本机 ARP 缓存表，后面发消息直接用这个 MAC

RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）
也就是已知MAC，查IP：早期的无盘工作站，机器没有硬盘，开机不能读取本机 IP，就发 RARP 广播：我的 MAC 是 XXX，谁能告诉我我的 IP 是多少？局域网里专门的 RARP 服务器查到记录，回复它对应的 IP
因为几十年前计算机硬盘很贵，在学校机房、网吧中，就是几十台机器，只需要一台服务器装一块大硬盘，所有客户机都无盘启动，现在已经淘汰了，因此RARP协议也很少用到了

ARP 和 RARP报文如下图，报文本身是不携带业务数据的，因为数据帧的数据部分最少是46个字节，而这个ARP请求和应答只占了28个字节，是不够的，因此后面就用PAD来填充18个字节，PAD就是补 0，凑够以太网帧最小长度，纯空填充，没有任何有效数据

3，MAC转发表

MAC转发表中记录的是MAC地址 -> 交换机的网口编号

交换机收到一个数据帧后，就看这个帧从哪个端口进来，接着把【源 MAC】和【入端口】写入 MAC 转发表，这就是自学习，也即是自动记住：这个 MAC 的设备在哪个网口下面（当然，如果转发表中已经有相关记录了，就不写入了）

如果查不到这个目的 MAC：就会进行广播，把这个帧从除了入端口以外所有端口复制一份发出去，希望目标设备收到并回复，交换机就能学到它的 MAC

结语💕💕

• 到这里就把TCP/IP 五层模型就详细解析完成了，这部分涉及到的知识还是比较繁多的，在日常开发中比较重要，也属于面试中的一个高频考点
• 在进行数据通信时，程序员接触到的就是应用层，下篇博客就会开始解析应用层的HTTP协议

以上就是今天的所有内容啦～完结撒花～🥳🎉🎉