【网络基础】探讨以太网：封装解包、MTU、MAC地址与碰撞

2024-09-01 05:52
文章标签 基础 封装 mac 以太网 地址 网络 mtu 探讨 碰撞 解包

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！

文章目录

  • 1. 概念
  • 2. 帧格式
  • 3. 如何解包和封装
  • 4. 整体网络思想 谈 跨网络通信
  • 5. 碰撞问题
    • ① 汇总整体的网络通信过程，发现问题并补充细节
  • 6. 认识MAC地址
  • 7. 对比理解MAC地址与IP地址
  • 8. 认识MTU
    • ① MTU对UDP协议的影响
    • ② MTU对TCP协议的影响
    • ③ MSS 与 MTU的关系
    • ④ 命令 查看硬件地址MAC与MTU
    • ⑤ MTU 与 分片

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。

2. 帧格式

在这里插入图片描述

  • 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。

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。

4. 整体网络思想 谈 跨网络通信

首先看下面的图：
在这里插入图片描述

下面列举一个情况：

H1 给 H6 发数据时，局域网内会发生什么？
在这里插入图片描述
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

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）
      在这里插入图片描述
    • 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

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！
      在这里插入图片描述

  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

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)。

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。

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。

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

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)

③ MSS 与 MTU的关系

在这里插入图片描述
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

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！


http://www.chinasem.cn/article/1126130。

相关文章

常用的jdk下载地址

常用的jdk下载地址

jdk下载地址 安装方式可以看之前的博客： mac安装jdk oracle 版本：https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/ Eclipse Temurin版本：https://adoptium.net/zh-CN/temurin/releases/ 阿里版本： github：https://github.com/
阅读更多...
Linux 网络编程 --- 应用层

Linux 网络编程 --- 应用层

一、自定义协议和序列化反序列化 代码： 序列化反序列化实现网络版本计算器 二、HTTP协议 1、谈两个简单的预备知识 https://www.baidu.com/ --- 域名 --- 域名解析 --- IP地址 http的端口号为80端口，https的端口号为443 url为统一资源定位符。CSDNhttps://mp.csdn.net/mp_blog/creation/editor
阅读更多...
零基础学习Redis(10) -- zset类型命令使用

零基础学习Redis(10) -- zset类型命令使用

zset是有序集合，内部除了存储元素外，还会存储一个score，存储在zset中的元素会按照score的大小升序排列，不同元素的score可以重复，score相同的元素会按照元素的字典序排列。 1. zset常用命令 1.1 zadd  zadd key [NX | XX] [GT | LT]   [CH] [INCR] score member [score member ...]
阅读更多...
ASIO网络调试助手之一：简介

ASIO网络调试助手之一：简介

多年前，写过几篇《Boost.Asio C++网络编程》的学习文章，一直没机会实践。最近项目中用到了Asio，于是抽空写了个网络调试助手。 开发环境： Win10 Qt5.12.6 + Asio(standalone) + spdlog 支持协议： UDP + TCP Client + TCP Server 独立的Asio（http://www.think-async.com）只包含了头文件，不依
阅读更多...
poj 3181 网络流，建图。

poj 3181 网络流，建图。

题意： 农夫约翰为他的牛准备了F种食物和D种饮料。 每头牛都有各自喜欢的食物和饮料，而每种食物和饮料都只能分配给一头牛。 问最多能有多少头牛可以同时得到喜欢的食物和饮料。 解析： 由于要同时得到喜欢的食物和饮料，所以网络流建图的时候要把牛拆点了。 如下建图： s -> 食物 -> 牛1 -> 牛2 -> 饮料 -> t 所以分配一下点： s  =  0， 牛1= 1~
阅读更多...
poj 3068 有流量限制的最小费用网络流

poj 3068 有流量限制的最小费用网络流

题意： m条有向边连接了n个仓库，每条边都有一定费用。 将两种危险品从0运到n-1，除了起点和终点外，危险品不能放在一起，也不能走相同的路径。 求最小的费用是多少。 解析： 抽象出一个源点s一个汇点t，源点与0相连，费用为0，容量为2。 汇点与n - 1相连，费用为0，容量为2。 每条边之间也相连，费用为每条边的费用，容量为1。 建图完毕之后，求一条流量为2的最小费用流就行了
阅读更多...
poj 2112 网络流+二分

poj 2112 网络流+二分

题意： k台挤奶机，c头牛，每台挤奶机可以挤m头牛。 现在给出每只牛到挤奶机的距离矩阵，求最小化牛的最大路程。 解析： 最大值最小化，最小值最大化，用二分来做。 先求出两点之间的最短距离。 然后二分匹配牛到挤奶机的最大路程，匹配中的判断是在这个最大路程下，是否牛的数量达到c只。 如何求牛的数量呢，用网络流来做。 从源点到牛引一条容量为1的边，然后挤奶机到汇点引一条容量为m的边
阅读更多...
【Linux 从基础到进阶】Ansible自动化运维工具使用

【Linux 从基础到进阶】Ansible自动化运维工具使用

Ansible自动化运维工具使用 Ansible 是一款开源的自动化运维工具，采用无代理架构（agentless），基于 SSH 连接进行管理，具有简单易用、灵活强大、可扩展性高等特点。它广泛用于服务器管理、应用部署、配置管理等任务。本文将介绍 Ansible 的安装、基本使用方法及一些实际运维场景中的应用，旨在帮助运维人员快速上手并熟练运用 Ansible。 1. Ansible的核心概念
阅读更多...
AI基础 L9 Local Search II 局部搜索

AI基础 L9 Local Search II 局部搜索

Local Beam search 对于当前的所有k个状态，生成它们的所有可能后继状态。 检查生成的后继状态中是否有任何状态是解决方案。 如果所有后继状态都不是解决方案，则从所有后继状态中选择k个最佳状态。 当达到预设的迭代次数或满足某个终止条件时，算法停止。 — Choose k successors randomly, biased towards good ones — Close
阅读更多...
webapp地址

webapp地址

F:\LSP\.metadata\.plugins\org.eclipse.wst.server.core\tmp0\wtpwebapps
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2