《网络协议》02. 物理层 · 数据链路层

title: 《网络协议》02. 物理层 · 数据链路层 · 网络层
date: 2022-08-31 22:26:48
updated: 2023-11-08 06:58:52
categories: 学习记录：网络协议
excerpt: 物理层（数据通信模型，信道）、数据链路层（封装成帧，透明传输，差错检验，CSMA/CD 协议，Ethernet V2 帧，以太网，PPP 协议）、网络层。
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网络协议

1：网络互连模型
- 1.1：请求过程
- 1.2：网络分层
2：物理层
- 2.1：数字信号 & 模拟信号
- 2.2：数据通信模型
- 2.3：信道
3：数据链路层
- 3.1：封装成帧
- 3.2：透明传输
- 3.3：差错检验
- 3.4：CSMA/CD 协议
- - 3.4.1：Ethernet V2 帧
- 3.5：PPP 协议
- 3.6：网卡
4：网络层
- 4.1：首部
- - 4.1.1：版本
  - 4.1.2：首部长度
  - 4.1.3：区分服务
  - 4.1.4：总长度
  - 4.1.5：标识
  - 4.1.6：标志
  - 4.1.7：片偏移
  - 4.1.8：生存时间
  - 4.1.9：协议
  - 4.1.10：首部校验和
5：实例
- 5.1：ping 的几个用法
- 5.2：追踪经过的路由器
- 5.3：Wireshark 完整网络层首部

网络协议从入门到底层原理。

1：网络互连模型

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）。

国际标准：OSI 参考模型（7层）
实际应用：TCP/IP 协议（4层）
学习研究：（5层）

在这里插入图片描述

1.1：请求过程

在这里插入图片描述

1.2：网络分层

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2：物理层

物理层（Physical）定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等。

在这里插入图片描述

2.1：数字信号 & 模拟信号

在这里插入图片描述

模拟信号（Analog Signal）
- 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

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数字信号（Digital Signal）
- 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

2.2：数据通信模型

局域网通信模型：

在这里插入图片描述

广域网通信模型：

在这里插入图片描述

网线一般不能超过 100 米；数字信号适用于短距离传输。

2.3：信道

信道（Channel）：信息传输的通道，一条传输介质上（比如网线）上可以有多条信道。

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
- 比如无线电广播、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
- 比如对讲机
全双工通信
- 信号可以同时双向传输
- 比如手机（打电话，听说同时进行）

3：数据链路层

数据链路层（Data Link）。

链路：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。

在这里插入图片描述

数据链路：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。

不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的。

广播信道：CSMA/CD 协议（比如同轴电缆、集线器等组成的网络）
点对点信道：PPP 协议（比如 2 个路由器之间的信道）

数据链路层的 3 个基本问题：

封装成帧
透明传输
差错检验

3.1：封装成帧

在这里插入图片描述

帧（Frame）的数据部分：
- 就是网络层传递下来的数据包（IP 数据包，Packet）
MTU（Maximum Transfer Unit，最大传输单元）：
- 每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限
- 以太网的 MTU 为 1500 个字节

3.2：透明传输

使用 SOH（Start Of Header）作为帧开始符
使用 EOT（End Of Transmission）作为帧结束符

在这里插入图片描述

数据部分一旦出现 SOH、EOT，就需要进行转义。

在这里插入图片描述

3.3：差错检验

根据数据部分 + 首部计算得出 FCS。数据传输前和传输后都会计算 FCS 用来检验数据是否出错。

在这里插入图片描述

3.4：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）

以太网（Ethernet）：

使用了 CSMA/CD 的网络可以称为是以太网，它传输的是以太网帧。
用交换机组建的网络，也可以叫做以太网。

以太网帧的格式有：Ethernet V2 标准、IEEE 的 802.3 标准。

使用最多的是：Ethernet V2 标准。

为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要 64 字节。

用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用 CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧。所以，用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网。

3.4.1：Ethernet V2 帧

Ethernet V2 帧的格式：

在这里插入图片描述

首部：目标 MAC + 源 MAC + 网络类型
以太网帧：首部 + 数据 + FCS
数据的长度至少：64 - 6 - 6 - 2 - 4 = 46 字节

Ethernet V2 标准：

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。
接收端会将添加的字节去掉。

在这里插入图片描述

长度总结：

以太网帧的数据长度：46 ~ 1500 字节
- 46 字节 = 64 - 目标 MAC（6）- 源 MAC（6）- 类型（2）- FCS（4）
- 以太网的 MTU 为 1500 个字节
以太网帧的长度：64 ~ 1518 字节
- 为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要 64 字节
- 1518 字节 = 目标 MAC（6）+ 源 MAC（6）+ 网络类型（2）+ FCS（4）+ MTU（1500）