07_OSI_第二层：机器间通信。MAC_地址和以太网协议
网络协议那些事儿
内容简介 特殊的 MAC 地址 以太网协议：第二层的语言 总结 1. 特殊的 MAC 地址 上一课我们介绍了 OSI 第二层的主要作用（连接局域网的机器），学习了 MAC 地址。
内容简介
-
特殊的 MAC 地址
-
以太网协议：第二层的语言
-
总结
-
特殊的 MAC 地址
上一课我们介绍了 OSI 第二层的主要作用（连接局域网的机器），学习了 MAC 地址。
MAC 地址实际上是网卡的地址，而不是机器的地址。MAC 地址是由 6 个字节编码的，用十六进制的形式来表示，每个字节（8 个二进制位）之间用冒号隔开，例如：
在众多 MAC 地址中，有一个地址很特殊，其每一个二进制位都是 1，因此是：
这个 MAC 地址被称为广播地址（Broadcast Address。broadcast 是 “广播” 的意思，address 是 “地址” 的意思）。
广播的意思就是向大家播放，因此顾名思义，广播地址可以代表任意一个网卡，因此发向广播地址的信息就会发送到所在网络的所有网卡上。
既然我们已经知道如何用 OSI 第一层将机器连接起来，并且用第二层的 MAC 地址来标识每一台机器的网卡。
那么是时候定义一个互相通信所需要用的语言了。
- 以太网协议：第二层的语言
第二层的语言，是什么呀？
为了使连接到网络上的各个机器之间能相互交流，需要定义一种语言。这种语言规定了机器之间交换的信息的格式。
在网络知识中，我们把通信所用的语言称为 “协议”，英语是 protocol，用术语才显专业嘛。
协议这个术语非常重要，毕竟我们的整个课程就是围绕网络协议这个中心来展开的。网络领域有许多的协议，我们会循序渐进地介绍。
其实可以把协议类比成我们人类用的语言，我们和老外交流，双方得说一样的语言，就好像遵从同样的 “协议”。网络上的两台机器之间要交流，也是如此。
在众多协议中，我们使用最多的是 Ethernet，也就是以太网。
以太网协议并不是第二层的唯一协议，但却是最常用的。就好比英语不是唯一的语言，但却是国际上最常用的。
协议的作用
网络的作用，简单来说就是交换信息。既然在网络中的每台机器（通常是电脑）都那么不同，其中所安装的操作系统又各式各样（Windows、Linux、macOS 等等），我们就需要定义一种统一的交流语言，以便各台机器可以相互 “理解”。此处的语言就是我们所说的协议。
既然网线中传输的都是 0 和 1 这样的二进制数据，因此我们接收到的信息也像这样：
011010111011010101100011001
但是我们人类并不知道这样一串信息的意义啊。因此，协议就被用来定义什么样的信息会被传输，以及传输的顺序。
在传输的信息里，至少要包含：
这样一个信息的总的单元，术语称为帧（Frame），也有称之为数据帧（Data Frame）的。这个术语有点抽象，我们慢慢来学习。
帧是 OSI 第二层中传输的信息单元，可以将其看成数据的封包。
以太网帧的形式
上面说了一个帧的大致形式，现在我们来学习一下实际的格式。首先来看上面提到的两个地址，发送方和接收方的地址，在 OSI 第二层中，这两个地址都是用 MAC 地址来表示的。
在一个帧中，到底是发送方的 MAC 地址在前还是接收方的在前呢？
为了回答这个问题，我们需要换位思考，想象自己就是那台接收信息的机器。
对于机器来说，发送方的 MAC 地址和接收方的 MAC 地址，哪一个更有价值呢？
网络的先驱者们认为接收方的 MAC 地址对一台机器来说更有价值，因为可以立即得知信息是不是发给我们的。如果信息是发给我们的，那么我们阅读信息；如果不是发给我们的，那么大可不必理会。
因此我们在一个帧中，将接收方的 MAC 地址（也叫 MAC 目标地址）放在前，后面跟着发送方的 MAC 地址（也叫 MAC 源地址）。目前我们的以太网帧大致如下：
-
DST 是 destination（目的地）的缩写，表示接收方；
-
SRC 是 source（源头）的缩写，表示发送方。
接着，我们需要一个比较特殊的信息。为了便于理解，我们重新展示 OSI 七层模型，如下图所示：
发送方在发送信息时，需要从上到下依次穿过 OSI 的各层：
因此，在穿越第 2 层前，我们需要穿越第 3 层（不禁想起了《盗梦空间》… ），这样，第 3 层就可以告诉第 2 层在第 3 层使用的协议是什么了。
这很有用，因为当信息到达接收方的时侯，接收方的机器的第 2 层首先检验 MAC 目标地址，如果和自己的 MAC 地址一样，那么接收方的机器的第 2 层需要将信息发送到第 3 层的对应协议。
在接收方，需要反向穿越 OSI，如下图所示：
因此，我们的以太网帧变成了这样：
一帧的信息已经差不多了。为什么是差不多呢？
因为还缺了：
我们把这两个信息放在第 3 层使用的协议后面。至于错误检测，我们使用 CRC。
CRC 是什么呢？
CRC 是循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check）的缩写，这名字也比较抽象。
CRC 是一个数学的值，可以作为要发送的数据的一种代表。
简单说来，CRC 对于每条发送的信息都是不一样的。发送方使用某公式计算出被传送数据所含信息的一个 CRC 值，并将此值附在被传送数据后，接收方则对接收到的同一数据进行相同的计算，得到另一个 CRC 值。
如果这两个 CRC 一致，说明发送中没有出错；如果不一致，说明发送中出现了差错，接收方可要求发送方重新发送该数据。
假设机器 A 发送一条信息给机器 B：
-
发送前，机器 A 根据发送的信息，来计算 CRC 值（假设值为 X），将这个值放在一帧的结尾处；
-
机器 B 接收到 机器 A 发送来的一帧数据后，也计算一个 CRC 值（假设值为 Y）；
-
机器 B 比较自己计算出来的 CRC 值（Y）和机器 A 发送过来的帧中的 CRC 值（X）：
-
如果 X 和 Y 相等，说明机器 A 发送的帧和机器 B 收到的帧是一样的；
-
如果 X 和 Y 不相等，说明发送时出了问题，机器 A 发送的帧和机器 B 收到的帧不一样，就成功检测到了错误。
完整的一帧
现在我们有了所有元素，因此我们完整的一帧如下：
一帧的大小是多少呢？
在一帧中，有些元素的大小（尺寸）是不变的。这些元素的集合我们称之为帧头。下图中的粗体表示帧头里的数据：
帧头的格式是固定的，因此我们可以定义其大小：
-
接收方和发送方的 MAC 地址分别占用 6 个字节；
-
第 3 层的协议用 2 个字节编码；
-
CRC 用 4 个字节编码。
6 x 2 + 2 + 4 = 18。
因此以太网的帧头一共有 18 个字节。
当然，也有一种分法是将一帧分为帧头、数据部分、帧尾三部分。接收方和发送方的 MAC 地址和第 3 层使用的协议作为帧头，而 CRC 作为帧尾。
那么，一帧有最小尺寸和最大尺寸吗？
是的。至于为什么有最小尺寸，原理比较复杂，就不详述了。以太网帧的最小尺寸是 64 字节。
规定帧的最大尺寸的目的很好理解。假如没有限制，那么有可能一台机器发送了很大一串数据，占据了网络的所有带宽，其他的机器就发送不了数据了。
以太网帧的最大尺寸是 1518 字节。
1518 字节中有 18 个字节是帧头，因此我们最多可以在一帧中放入 1500 个字节大小的数据。
现在，我们了解了以太网帧的几乎所有元素了。我们小结一下，在机器 A 和机器 B 之间交换数据的过程如下：
-
机器 A 上的一个应用（application，在 OSI 的第 7 层应用层，以后我们会学习应用层）发送数据到机器 B 的应用上；
-
在 机器 A 这个发送方这端，此数据从上到下穿过 OSI 的各层；
-
发送方的第 3 层告知第 2 层所使用的协议是什么；
-
第 2 层就用这些信息，包装成一个帧，通过网络传输；
-
机器 B 收到了机器 A 发送的这个帧，首先检查帧头部的第一个元素：接收方的 MAC 地址；
-
如果等于机器 B 的 MAC 地址，那么机器 B 读取帧中接下来的信息；
-
依据帧中的协议部分，接收方（机器 B）的第 2 层就把数据正确地发送给第 3 层；
-
数据在接收方就从下到上，直达机器 B 的应用了。
太棒了，我们已经知道局域网中机器之间如何通信了！
但是，我们还不知道机器如何连接在一起，因为这需要一个特殊的设备，我们下节课再学习。
- 总结
-
在众多 MAC 地址中，有一个是特殊的，就是广播地址 ff:ff:ff:ff:ff:ff ；
-
OSI 第二层使用的主要协议是 Ethernet（以太网）协议；
-
第二层的辅助作用是侦测传输错误，常用 CRC 值来校验。
既然我们已经了解了 OSI 第二层的主要原理，下一课我们就要学习第二层中可以使机器之间互联的设备：交换机（Switch）咯！
今天的课就到这里，一起加油吧！
}如果您想了解更多技术资源，欢迎加入点击这里钉钉群交流IT技术资源查看“IT技术交流群一”群的钉钉群号: 129605002953
