数据链路层(Mac帧,报头字段,局域网通信原理),MTU,MSS,ip报文的分包与组装(ip报头字段介绍,组装过程,判断是否被分片/收到全部分片)
目录
数据链路层
介绍
MTU
介绍
在哪一层分片
IP报文的分包与组装
16位标识
3位标志
13位片偏移
示例
组装过程
确定是否被分片
确定是否收到全部分片
注意点
数据链路层与网络层的关系
Mac帧
Mac地址
报头格式
目的/源地址
类型
局域网通信原理
图解
碰撞问题
MSS
引入
介绍
数据链路层
介绍
也属于网卡驱动层
- 负责与实际硬件（网卡）通信，执行数据的发送和接收操作
- 两者并不相同,网卡驱动层属于计算机操作系统的一部分，不在OSI模型中
因为网卡不支持一次接收过大的数据
- 所以它倒逼上层一次不能交付过大的报文
所以上层在通信时,如果收到了大数据,需要将大数据分割成小的报文
- eg:tcp层的滑动窗口需要分段,而不是把整个窗口的数据发送过去
MTU
介绍
MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元) ,是指网络接口一次可以传输的最大字节数
- 网络接口 -- 指计算机或网络设备与网络进行通信的硬件或软件接口
- 最常见的物理网络接口就是网卡
不同的数据链路协议（如以太网、Wi-Fi、PPP）可能具有不同的 MTU 值
- 对于以太网，通常的 MTU 是1500字节
如果上层协议生成的报文（如 TCP 报文）比 MTU 大，则需要将其分片以适应网络接口的 MTU 限制
- 因为链路层一旦交付给下层,网卡就会直接发送数据了,所以相当于在链路层就要有MTU规定,同样它也会影响上层
- 注意,这里说的"上层协议生成的报文"也就是Mac帧里的有效载荷部分,所以实际上MTU规定的是Mac帧里的有效载荷的大小(网络层交付的报文大小)
- (这些都会在下面详细介绍)
在哪一层分片
虽然下层这么规定了,但是传输层(也就是tcp层)发送的数据就是特别大怎么办?
- 所以,ip层(网络层)需要对报文分片
为什么不是在数据链路层呢?
- 还记得吗,网络数据都是广播发送的,传到链路层后判断是否是发给自己的,不是就丢弃
- 报文一路上都要经过多个设备,如果每经过一个设备就要进行组装和分片(要保证数据的完整性),太麻烦了
- 所以放在ip层,等数据包收全后再进行组装,然后交付给上层最好
本身分片就需要针对不同网络的MTU进行
- 网络层可以根据网络的需求对数据包进行分片
- 但链路层只处理直接相连的网络节点之间传输数据帧,不会涉及MTU的变化
- 所以放在网络层分片最合理
IP报文的分包与组装
也就是报头的第二行,是有关分片和组装的字段
报头中其他字段的介绍 -- 传输层和网络层的关系,ip协议+ip地址+ip报头字段介绍(4位TOP字段,8位生存时间(ttl)),ip地址和端口号的作用-CSDN博客
16位标识
每个ip报文的标识不同,但[同一个报文分片后的部分]的标识相同
3位标志
第一位 -- 保留位,默认为0
第二位 -- 是否允许分片(0表示允许)
第三位 -- 结束标记(0表示是最后一个分片),也叫做更多分片(如果是1,就代表还有其他分片)
13位片偏移
记录的是该分片在原始报文中的偏移量
示例
假设有一个3000字节的报文(包含报头),按照1500字节来分片
那么,我们将会得到三个分片:
- 注意,每个分片都要有ip报头
组装过程
- 将所有分片聚集在一起(根据相同的标识)
- 按照片偏移排序
- 去掉除第一个外报文的报头,将各部分拼接在一起
确定是否被分片
但是,如何知道该报文是被分片的?
如果报文的3位标识中:
- 更多分片位=0,片偏移=0,说明该报文不是分片,它是一个完整的报文
- 那么根据逆反条件,更多分片位=1 || 片偏移不为0,则说明它是分片
如果细分一下:
- 更多分片位=0,片偏移不为0,该报文是最后一个分片
- 更多分片位=1,片偏移=0,该报文是第一个分片
- 更多分片位=1,片偏移不为0,该报文是中间的分片
确定是否收到全部分片
那么又如何知道已经收到了所有的报文?
- 只要判断是否有丢失的分片即可
分片有没有丢失,丢失了哪一段我们是可以知道的
- 丢第一个 -- 没有片偏移为0的报文
- 丢中间 -- 后一个片偏移和前面的总长度对不上
- 丢最后一个 -- 没有"更多分片"位=0的报文
注意点
虽然特殊情况都是可以判断出来的,但并不建议分片
- 因为一旦分片丢失,原始报文是需要全部重发的
- 相当于增加了报文丢失的概率
但是,强行不分片也不行,因为网卡的上限是客观存在的 ; 又因为[数据的一次发送量]网络层说了不算,它只是个跑腿的
- 所以,只能倒逼传输层一次不能发送过大报文
- 那这个过大究竟是多大呢 -- MSS(下面会介绍到)
重新说回我们的数据链路层
数据链路层与网络层的关系
解决的是两台直接相连的设备之间进行数据交付的问题,而网络层是解决跨网络传输
- 也就是网络层进行路径抉择,链路层进行点对点传输
Mac帧
Mac地址
使用ifconfig命令查询出来的ether,就是该设备中网卡的mac地址
- 用于在同一个局域网中,区分不同的设备
报头格式
- 因为是定长报头,所以可以解包
目的/源地址
都是Mac地址
- 目的地址是当前的下一跳设备
- 源地址是当前设备
类型
用于区分有效载荷
- 可以实现分用,不同的数据类型要交给不同的上层协议
局域网通信原理
在之前我们已经简单介绍过局域网内的通信过程 -- 局域网(介绍+如何共享资源),以太网+令牌环网络,以太网内部通信过程(mac地址,数据暴露问题,碰撞问题),换角度看待通信过程 -- 临界资源_以太网的通信交互通信过程-CSDN博客
图解
这里我们将Mac帧代入再来看局域网:
- 会发现每经过一个设备,Mac帧都是经过重新封装的,而只有相邻的设备在同一个局域网中,所以我们可以得出一个结论 -- Mac帧只在局域网中有效
碰撞问题
因为碰撞问题,需要保证同一时刻只有一台主机在网络中传输
- 所以,在局域网通信时,发送短的数据帧更好
短的数据帧有以下好处:
- 在时间维度上让更多的数据在局域网中岔开发送(更快的发送过程和传输过程)
- 详细来说就是 -- 允许网络在单位时间内处理更多的帧，减少了碰撞检测的窗口时间，从而减少了重传的机会，优化了整体传输速度
这也就是为什么网卡规定不能一次传输过大的数据
- 这是基于局域网通信原理来的,都是为了最大化网络的吞吐量和可靠性
MSS
引入
因为有这个硬性规定,所以倒逼网络层一次不能发送超过1500字节的数据(以以太网为例),这里有两种做法:
网络层进行分片 -- 不建议,会增加丢包概率
让传输层一次不能发送过大数据 -- 本身传输层就是负责决定数据发送的,所以直接从它解决问题
- 数据量=1500字节-20字节(ip报头)=1480字节
而传输层的数据都是从它的发送缓冲区里拿取的
- 数据量=1480字节-20字节(tcp报头)
这里的1460就是前面提到的MSS,是传输层的最大发送量
- 正因为这个规定,所以传输层不能将滑动窗口内的所有数据发送出去,而是要分段发送
介绍
在TCP连接中，每个TCP段中可以承载的最大有效负载的字节数
- MSS = 最大传输单元 (MTU) - TCP头部大小 - IP头部大小
双方要协商好MSS的值,因为不同设备MTU不同,可能MSS也不同
- 以双方中MSS的最小值作为通信中使用的MSS,从而确保数据不会因网络路径上最小的MTU而被分片,可以保证尽量少的分片
- 而这个协商就发生在tcp三次握手时