网络协议04 - 物理层和数据链路层

网络分层模型

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为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型，OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model），具有 7 层结构。然而OSI参考模型仅仅是理论模型，真正应用过程中用得最多的其实是TCP/IP 协议模型，而学习研究时通常则是五层

这五层结构每一层都有一套处理数据包的机制，其处理方式和对应的协议则大致如下图所示：

物理层

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模拟信号和数字信号

在物理层，数据是以信号的方式被传输，根据网络范围分为模拟信号和数字信号

• 模拟信号：连续的信号，适合长距离传输，抗干扰能力差，受到干扰时波形变形很难纠正
  

• 数字信号：离散的信号，不适合长距离传输，抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复
  

数据通信模型

在不同的网络通信范围内，对应的网络通信模型如下：

• 局域网通信模型
  
• 广域网通信模型
  
  

信道（Channel）

信道就是信息传输的通道，由发射端传输到接收端所经过的传输媒质所构成，在同一条传输介质（如网线）上可以有多条信道（例如计算机0可以发送数据给计算机1，计算机1也可以发送数据给计算机0）

• 单工通信：信号只能往一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向（如无线电广播、有线电视广播）
• 半双工通信：信号可以双向传输，但必须是交替进行，同一时间只能往一个方向传输（如对讲机）
• 全双工通信：信号可以同时双向传输（比如手机打电话，听和说同时进行）

数据链路层

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基本概念

从1个节点到相邻节点的一段物理连接（有线或无线），且中间没有其他交换节点，被称之为链路。在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输，而不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的。

常见的有：

• 广播信道：CSMA/CD协议，例如同轴电缆、集线器等组成的网络
• 点对点信道：PPP协议，例如两个路由器之间的信道

接下来看如下例图：

从图中可以看出，圈出来的每一部分就代表着一段数据链路

• 计算机0到路由器0，是一段链路，因为中间的集线器可以直接看做是一根网线
• 路由器0到路由器1、路由器1到路由器2，一共两段链路，其分别传输的数据也不太一样，例如源地址和目标地址是会发生改变的
• 路由器2到交换机0，交换机0到计算机1，也是两端链路，但是这两端链路传输的数据是一样的，因为交换机只负责考虑传给谁（暂不考虑三层以上交换机）

数据链路层特点

数据链路层有三个特点：

• 封装成帧
  
  该特点就是将IP层传下来的数据包加上首部和尾部，封装成帧，而首部和尾部中又包含帧开始符和帧结束符，同时帧的数据部分（IP层数据包）有一个最大值MTU（Maximum Transfer Unit）限制，不能超过这个值。通常在我们日常用的以太网（采用CSMA/CD协议）中的MTU为1500个字节

• 透明传输
  
  在将IP层数据包封装成帧时，帧开始符用SOH代表，帧结束符用EOT代表，然而当数据部分也出现两个符号时，就会出现问题。因此解决方式就是将数据中的特殊符号进行转义
  

• 差错校验
  
  数据链路层的帧由帧首部、帧尾部、帧数据三个部分组成，而帧首部中又包含数据链路层首部和帧开始符，帧尾部包含FCS和帧结束符。其中FCS是根据数据链层首部和帧的数据部分算出来的，接受方需要对这个值进行校验，目的是为了防止数据在传输过程中出现变动，一旦发现数据对不上，网卡会直接把数据给丢弃

以上三个特点不管走的什么协议，都会去实现。接下来就看一下每个协议的具体实现

CSMA/CD协议

CSMA/CD协议全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection（载波侦听多路访问/冲突检测），字面意思解释就是

• 载波侦听：对信道进行监听，判断是否空闲，是的话才会发送数据，反之则不发
• 多路访问：多个信道上的计算机可以同时发送数据
• 冲突检测：当多个信道上在同时传输数据时，会发生冲突，这里需要检测出是冲突数据还是需要正常接受的数据

使用了CSMA/CD协议的网络可以称为是以太网，其传输的是以太网帧，以太网帧的格式有Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准，通常使用最多的是Ethernet V2标准。同时为了检测正在发送的帧是否发生了冲突，以太网的帧最少需要64个字节（可以参考这个回答）

需要注意的是，用交换机组成的网络已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD协议，但它传输的帧依旧是以太网帧

Ethernet V2帧的格式

下面图就是以太网帧的格式

从图中可以看出，首部是由目标MAC地址、源MAC地址、类型组成，MAC帧则是由首部、数据、FCS组成。由于MAC帧至少是64字节，因此数据部分至少要46字节（64-6-6-2-4），当数据部分的长度小于46字节时，数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充，到接收端时会将添加的字节去掉。当在物理层时，以太网MAC帧前面还会加上8个字节的数据（7个字节的前同步码和一个字节的帧开始符）

在上图中会发现MAC帧没有前面所说的帧结束符，这是因为以太网使用曼彻斯特编码，在传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙，接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧

因此可以看出以太网帧的数据长度是46 ~ 1500字节，而以太网帧的长度是64 ~ 1518字节

PPP协议（Point to Point Protocol）

下图就是PPP帧的格式

• F：帧开始和帧结束符，值为0x7E
• A：Address字段，值为0xFF，该字段没有什么用，因为点对点信道不需要像上面以太网帧中用到源MAC和目标MAC地址
• C：Control字段，值为0x03，也没有什么用
• Protocol字段：内部用的协议类型

Wireshark抓到的帧没有FCS？

Wireshark是一款用来抓包的工具，在通过抓包对帧格式分析后，会发现Wireshark抓到的Ethernet V2帧没有FCS字段

其实这是因为网卡的原因，网卡在接受到一个帧时，首先会进行差错校验，如果校验通过则被接受，否则丢弃。而Wireshark抓到的就是差错校验通过的帧（帧尾的FCS会被去掉）。

以下是网卡在物理层和数据链路层的具体功能