网络协议(四)：网络互联模型、物理层、数据链路层

网络协议系列文章

网络协议(一)：基本概念、计算机之间的连接方式

网络协议(二)：MAC地址、IP地址、子网掩码、子网和超网

网络协议(三)：路由器原理及数据包传输过程

网络协议(四)：网络互联模型、物理层、数据链路层

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一、网络互联模型

• 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），具有7层结构

请求过程

网络分层对应的通信协议和数据名称

二、物理层（Physical）

• 物理层定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等

数字信号、模拟信号

• 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

• 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

数据通信模型

• 局域网通信模型

注：网线一般不能超过100米；数字信号适用于短距离传输

• 广域网通信模型

信道

• 信道：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）

三、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

• 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个概念（封装成帧、透明传输、差错检验），任何链路都需要

封装成帧

• 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）
• 最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）
  • 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
    

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

• 若数据部分出现 EOT，容易让接收端产生错误的理解，所以数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行转义：在后面加上ESC

差错检验

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

四、数据链路层通信协议

1、CSMA/CD协议

• CSMA/CD：载波侦听多路访问/冲突检测
• 使用了CSMA/CD的网络可以称为是以太网（Ethernet），它传输的是以太网帧
• 以太网帧的格式有：Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准，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

Ethernet V2帧的格式

• 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-目标MAC(6)-源MAC(6)-类型(2)-FCS(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

网卡

• 网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃
• Wireshark抓到的帧没有FCS ，因为它抓到的是差错校验通过的帧（帧尾的FCS会被硬件去掉）
• Wireshark抓不到差错校验失败的帧

2、PPP协议

• 帧开始符、帧结束符：0x7E
• Address 字段：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 字段：图中的值是 0x03，目前没有什么作用
• Protocol 字段：内部用到的协议类型

• PPP协议 —— 字节填充