【计网】（四）物理层、数据链路层

本篇文章接着介绍四层协议中的物理层和数据链路层。出发……

一、物理层

物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。它定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等。

✅数字信号、模拟信号

数字信号（Digital Signal）：1、它是离散的信号，不适合长距离传输。2、它的抗干扰能力强，受到干扰后，波形失真是可以修复的。

模拟信号（Analog Signal）：1、它是连续的信号，适合长距离传输；2、它的抗干扰能力差，受到干扰时波形变形后很难修复。

✅数据通信模型

数据通信的类型分为两种：局域网和广域网的情况。

• 局域网通信模型。运用在小型网络中，比如教室、办公室等。

  

  补充：网线（双绞线）的长度不能超过100米，超过之后信号会有所衰减。

• 广域网通信模型。在很久以前，家里上网时，牵的网线是搭在电话线上的，现在搭在电话线上的应该很少见了，这种情况用的猫也叫调制解调器。这种猫之间传输的是模拟信号； 而随着科技的进步，现在基本上都是光纤入户了，光纤牵到家里就要使用到光猫（光电转换器），光猫之间传输的是光信号。

  

✅信道（单工、半双工、全双工）

信道：信息传输的通道，一条传输介质上可以有很多条信道。比如网线。

• 单工通信。指的是信号只能往一个方向发送，任何时候都不能改变信号的传输方向。常见的是无线电广播、有线电视广播。
• 半双工通信。信号可以在一个信道上双向传输，但是必须是交替进行的，也就是说同一时刻，只能有一端发送，另一端接收。例如对讲机。
• 全双工通信。信号可以随时在一个信道上双向传输，也就是说一端可以同时做到发送和接收信号。例如手机打电话时，可以听说同时进行。

二、数据链路层

链路：指的是从1个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），中间没有其他交换节点。如下图：

数据链路：指的是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也是不同的。比如：1、广播信道：CSMA/CD协议。运用在同轴电缆、集线器等组成的网络。2、点对点信道：PPP协议。运用在路由器与路由器之间的信道。

✅数据链路层的特征一：封装成帧

如上图，一个数据帧的大致结构就是这样。

• 帧的数据部分：是由上一层网络层传递下来的IP数据包，而这个数据包在帧这一层，是有一定的大小的，即上图中的MTU(Maximum Transfer Unit)，也称为最大传输单元。 而在每一种数据链路层协议中，规定的这个MTU的上限可能是不同的。比如以太网帧规定的MTU上限是1500字节。

✅数据链路层的特征二：透明传输

• SOH(Start Of Header)：称为帧开始符。
• EOT(End Of Transmission)：称为帧结束符。

而使用上述两个开始符和结束符，可能会存在一定的问题。就如上图所示，假设由网络层传递下来的数据部分里面就含有EOT，则接收端在接收数据的时候，可能就会出现上图所示的情况，导致误认为有一部分无效帧，从而被丢弃。

这种情况，在日常开发中也很常见，比如Windows环境下的路径，即可以用"/“，也可以用”\"，后者就容易使其变成转义字符，所以就需要写两个\的。

在这里也是一样的，在数据部分的EOT，使其转义即可。

✅数据链路层的特征三：差错校验

FCS：是帧尾的一部分，它是根据帧的数据部分+数据链路层首部计算出来的。数据链路层首部是帧头的一部分。

接收端在接收到数据后会计算出FCS，并进行比较，如果发现不一致，网卡就会把这条信息丢弃，这种情况下，抓包工具是抓不到的。

在数据经过不同的数据链路层时，对应的层会把之前的帧开始和帧结束符替换为自己的协议帧。

✅CSMA/CD 协议

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）：载波侦听多路访问/冲突检测。运用在同轴电缆、集线器等网络上，上文提及过。

而使用了CSMA/CS 的网络称为以太网，它传输的是以太网帧。以太网帧的格式有两种：

• Ethernet V2标准
• IEEE的802.3标准

当然，使用最多的就是Ethernet V2标准。用交换机组建的网络，已经是支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧。

为了能够检测到正在发送的帧是否产生了冲突，所以以太网的帧至少是需要64字节的。

✅Ethernet V2帧的格式、Ethernet V2标准

如上图：

首部：由目标MAC地址+源MAC地址+网络类型（IPv4、IPv6）。总共是14个字节。

以太网帧是由首部+数据部分+FCS组成，至少是64字节。而FCS需要占用4个字节，所以数据部分最少就需要46字节（64 - 14 - 4）。

综上，以太网帧的数据部分长度是46 — 1500字节；整个以太网帧的长度是64 — 1518字节。

当数据部分不足46字节时，也就是说整个以太网帧的长度不足64字节时。数据链路层会在数据的后面补充一些字节进行填充，接收端拿到数据后，会自动去除多余的部分。

✅PPP协议 （Point to Point Protocol）

PPP协议：运用在路由器与路由器之间的信道上。

• Frame(F)： PPP协议是有帧开始和结束符的，值是0x7E。

• Address(A)： 图中的值是0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC、目标MAC地址

• Control©：图中的值是0x03，目前没有什么作用

• Protocol(协议)： 内部用到的协议类型（PPP协议的子分支协议）

  虽然PPP帧和以太网帧的协议不一样，但是网络层的数据是一样的，仅仅是帧的首部和尾部发生了变化。

切记：路由器和路由器直连时是PPP帧，如果在两个路由器之间加一个交换机，就不是PPP帧了，而是以太网帧。
因为路由器之间是点对点，不需要知道对方的MAC地址，但是以太网帧是广播信道，每一台设备必须确认自己是否是接收方。

PPP帧的字节填充：

0x7E -> 0x7D5E。 0x7D -> 0x7D5D。