【网络基础】探讨以太网：封装解包、MTU、MAC地址与碰撞

本文主要是介绍【网络基础】探讨以太网：封装解包、MTU、MAC地址与碰撞，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. 概念

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

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2. 帧格式

• 目标 MAC 地址（6 字节）：指定数据包要发送到的目标设备的 MAC 地址。
• 源 MAC 地址（6 字节）：指定发送数据包的源设备的 MAC 地址。
• 类型/长度字段（2 字节）：
  • 类型字段：如果值大于 1500（0x05DC），则表示数据包中数据的协议类型（例如 IPv4、IPv6 等）。
  • 长度字段：如果值小于等于 1500，则表示数据部分的长度。
• 数据部分（46-1500 字节）：实际传输的数据。
• CRC 校验字段（4 字节）：循环冗余校验（CRC）码，用于检测以太网帧在传输过程中是否发生了错误。

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3. 如何解包和封装

1. 封装：将网络层的数据（如 IP 数据包）与数据链路层的头部和尾部组合。头部包括目标和源 MAC 地址、类型/长度字段等，尾部则是 CRC 校验码。这个过程确保数据在物理网络中正确传输。

2. 解包：接收到数据后，数据链路层会剥离头部和尾部，提取出网络层的数据。解包过程中会检查 CRC 校验码以验证数据的完整性，确保数据在传输过程中没有错误。

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4. 整体网络思想 谈 跨网络通信

首先看下面的图：

下面列举一个情况：

H1 给 H6 发数据时，局域网内会发生什么？

所有主机都会收到这个消息，并对比目标地址M6和自己的地址是否匹配，如果匹配则接收消息，否则就不继续接收

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5. 碰撞问题

在局域网通信中，如果在两台主机通信时，其他主机同时进行通信，会发生什么情况？

在局域网中，同时有多台主机进行通信，数据间就发生了碰撞问题。
尽管主机知道发生了碰撞问题，但碰撞后的数据已经无法使用。

所以我们应该尽量避免碰撞问题。

首先思考两个问题：

1. 局域网中，主机数越多越好还是越少越好？

   • **当然是越少越好！**主机越多发生数据碰撞的几率就越大
   • 如果在一个局域网中，不得不有很多的主机，怎么办？
   • 存在一种设备，叫做：网桥（交换机）
     
   • 交换机会把主机分为一个个的小区间，而实际上依然在同一个局域网内（划分碰撞域）
   • 如图所示，比如当交换机识别到了某区间发生了数据碰撞，就不会再向其他区间发送数据
   • 又比如当交换机识别到发送方和接收方在的区间时，依然不会再像其他区间发送，减少了不必要的传输

2. 局域网数据帧越长越好还是越短越好？

• 越短越好！ 数据帧过长意味着数据传输的时间会加长，其他设备在局域网传输数据的机会少了，自然数据碰撞的概率增大了

但数据帧如果非常的小，实际上一次传输的内容就会很少，所以局域网设置了一个值：MTU

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① 汇总整体的网络通信过程，发现问题并补充细节

1. 网络转发过程，目的IP不变，MAC帧报头会发生变化吗？

   • 会变化！
     

2. 任何一个主机，都暂时无法知道下一跳的MAC地址，如果不知道，无法封装MAC帧

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6. 认识MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
• 长度为48位, 及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)；
• 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)。

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7. 对比理解MAC地址与IP地址

如果将局域网中两台主机的通信比作 一个人从A点要走向D点。

• IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点；
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点；

如果，A到D点中间需先经过B、C点，那么整体的通信过程为：

1. 起始阶段：

   • A点（源主机）知道要到达D点（目标主机），因此它将数据包封装在一个数据帧中，并附上目标主机的IP地址（D点的IP地址）。
   • 但是，A点并不知道到达D点需要经过B点和C点，所以它将数据帧的目标MAC地址设为路由器的MAC地址（A到B点的路由器）。

2. 到达B点：

   • 数据帧到达B点后，路由器解析数据包，并发现数据需要继续前往D点。路由器根据自身的路由表确定下一跳，并将数据帧的目标MAC地址修改为下一跳路由器到达C点的MAC地址。
   • 路由器将修改后的数据帧发送到局域网上，以便继续向目标主机传输数据。

3. 到达C点：

   • 数据帧再次到达另一个路由器（B到C点的路由器），路由器解析数据包并进行相同的操作，将目标MAC地址修改为下一跳路由器到达D点的MAC地址。
   • 修改后的数据帧被发送到局域网上，继续传输向目标主机。

4. 到达D点：

   • 最终，数据帧到达了目标主机D点，D点的主机解析数据包并处理其中的数据。

在这个过程中，IP地址确定了通信的起点和终点（A点到D点），而MAC地址则标识了每一步的具体路径（A到B点的路由器，B到C点的路由器，最后到达D点的目标主机）。通过使用IP地址和MAC地址，数据能够在网络中准确地路由到目标主机。

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8. 认识MTU

前面碰撞问题中引入的MTU：

MTU（最大传输单元） 相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制源于不同数据链路对应的物理层。具体来说：

• 以太网帧：数据长度范围规定为最小 46 字节，最大 1500 字节。如果 ARP 数据包的长度不足 46 字节，则需要在其后填充位以满足最小长度要求。
• 最大值 1500 字节 称为 以太网的 MTU。不同的网络类型具有不同的 MTU。
• 当一个数据包从 以太网 路由到 拨号链路 时，如果数据包长度超过了拨号链路的 MTU，则需要对数据包进行 分片（fragmentation）。
  不同的数据链路层标准具有不同的 MTU。

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① MTU对UDP协议的影响

我们知道对于 UDP协议：。

• 一旦UDP携带的数据超过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。

则：

• 多个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了

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② MTU对TCP协议的影响

首先，对于TCP协议：

• TCP的数据报不能无限大，受制于MTU；而TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(MaxSegment Size)；
• TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.
• 理想的情况下，MSS的值恰好是IP不会被分片处理的最大长度(该长度受限于数据链路层的MTU)
• 双方在发送SYN时会在TCP头部写入自己能支持的MSS值.
• 当双方得知对方的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)

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③ MSS 与 MTU的关系

根据上图，我们可以得出如下结论：

关于最大传输单元（MTU）和最大分段大小（MSS）：

• MTU（Maximum Transmission Unit）：在不发生分片的情况下，网络层可以传输的最大数据包大小。对于以太网，常见的 MTU 是 1500 字节。

• MSS（Maximum Segment Size）：TCP 报文段中 TCP 数据字段的最大长度，它影响 TCP 连接双方协商的数据传输效率。MSS 通常由 MTU 减去 IP 头部和 TCP 头部的长度来确定。

一般情况下：

• IP 头部长度为 20 字节。
• TCP 头部长度也是 20 字节（若无特别指定）。

因此：

• MSS = MTU - IP 头部长度 - TCP 头部长度
• MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460 字节

这意味着在给定的 MTU 下，TCP 数据字段的最大长度为 1460 字节。因此，为确保数据不会被分片，TCP 连接的 MSS 不能大于 1460 字节。

④ 命令 查看硬件地址MAC与MTU

在 Linux 系统中：

• 查看硬件地址（MAC 地址）：

  ip link show
  

  或者

  ifconfig
  

• 查看 MTU：

  ip link show
  

  输出中会显示每个接口的 MTU 值，例如 mtu 1500。

在 Window 系统中：

• 查看硬件地址（MAC 地址）：

  ipconfig /all
  

• 查看 MTU：

  netsh interface ipv4 show interfaces
  

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⑤ MTU 与 分片

由于数据链路层MTU的限制, 自然对于较大的IP数据包就要进行分片。

1. 将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签；
2. 每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的；
3. 每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0)；
4. 到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层；
5. 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。

这篇关于【网络基础】探讨以太网：封装解包、MTU、MAC地址与碰撞的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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