计算机网络学习2物理层和数据链路层

物理层这里不做过多阐述，主要是涉及硬件与具体物理实现的内容。

1、物理层的基本概念

物理层的主要任务是确定与物理传输媒体的接口的一些特征，如机械特征，电气特征，功能特征，过程特征等。物理层处理的是0、1比特的数据，它把二进制的0、1转换成实际的通信媒介的物理现象，如电压的高低、光的闪灭、电波的强弱等，从而通过更下层的物理媒介来进行实际数据传输。

2、物理层下的传输媒体

双绞线、同轴电缆、光缆、无线电传输等。

数据链路层比较重要。

1、数据链路层的基本概念

数据链路层有时候也指以太网或无线局域网等通信手段。数据链路层主要作用是在互连同一种数据链路的节点之间进行包传递。数据链路层的协议定义了通过通信媒介互联的设备之间的传输规范，有时也会通过交换机、网桥、中继器等来中转数据。数据链路层处理的数据是一个叫帧的块。

数据链路层的使用信道主要有点对点信道和广播信道。点对点信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据收发（即后面说的以太网）。

2、一些重要概念

（1）链路

链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。在进行数据通信时，两个计算机之间的通路往往是由许多的链路串接而成的。

（2）数据链路

数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

（3）MAC地址

MAC地址用于识别数据链路中互连的节点的硬件地址。在使用网卡的情况下，MAC地址一般都会被烧入到ROM中，因此任何一个网卡的MAC地址都是唯一的，全世界都不会有重复（当然也不一定，但是即使MAC地址相同，只要不同属于一个数据链路就没问题）。由于制定MAC地址规范时候没有限定数据链路的类型，所以无论哪种数据链路的网络（以太网、FDDI、ATM、无线LAN、蓝牙等），都不会有相同的MAC地址出现。

MAC地址长48比特，结构如图所示：

3、点对点信道（点对点协议PPP）

PPP（Point-to-Point Protocol），是全世界使用的最多的数据链路层协议。拨号上网使用的就是PPP。

PPP 协议有三个组成部分：

一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

链路控制协议 LCP(Link Control Protocol) 。

网络控制协议 NCP(Network Control Protocol) 。    

（1）PPP协议的帧格式

（2）PPP的工作过程

4、广播信道（使用广播信道的数据链路层）

（1）局域网

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 
局域网具有如下的一些主要优点：
具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源； 
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变；
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

（2）媒体共享技术（信道复用技术）

既然在局域网中各个主机共享相同的信道，那就必然涉及到信道要怎么共享。

静态划分信道： 频分复用， 时分复用， 波分复用， 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）： 随机接入； 受控接入，如多点线路探询 (polling) ，或轮询。   

（3）以太网

以太网其实有两个标准：DIX Ethernet V2和IEEE 802.3。这两个标准区别不大。一般符合这两个标准的局域网都被称作以太网。以太网在局域网市场中已经处于垄断地位了，而且TCP/IP协议中采用DIX Ethernet V2以太网。所以后面的局域网，其实都是以太网，而且是DIX Ethernet V2以太网。以太网采用的是无连接的工作方式，无须先建立连接即可通信，尽最大努力交付。

（4）适配器

计算机都是直接连到局域网上的。与局域网的连接是通过通信适配器（网络接口板，网络接口卡，网卡）。

适配器的重要功能：

进行串行 / 并行转换。

对数据进行缓存。

在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

实现以太网协议。   

（5）CSMA/CD协议

这个协议是以太网的一个很重要的协议。这个协议的作用其实就是协调以太网上主机间的通信。这里讲一个最初原始形态的以太网，总线网。后面各种形态的以太网都是它的改进版。

B在发送数据时，以广播形式发送，帧上首部写明接收站地址。总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（ A,C 和 E ）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。但是这个时候问题来了，总线上只要有一台计算机在发送数据，传输资源就被占用了，因此同一时间只允许一台计算机发送信息。因此，要想办法协调各个计算机之间的通信。这就是CSMA/CD协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多点接入/碰撞检测）。它的具体内容是：

“ 多点接入 ”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

“ 载波监听 ”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

“ 碰撞检测 ”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信（因为一个工作站不可能同时发送和接收信息）而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

（6）使用集线器的双绞线以太网

上面提到的以太网使用的是粗同轴电缆，后来采用更便宜和灵活的双绞线，采用星形拓补，增加了一个集线器。集线器使用了大规模集成电路芯片，可靠性大大提高了。由于集线器使用电子器件来模拟实际电缆的工作，其实事实上这个使用集线器的以太网逻辑上依然是上面提到的总线网，各站共享逻辑上的总线，依旧使用CSMA/CD协议。

（7）MAC帧

常用的是DIX Ethernet V2标准的MAC帧格式。注意，这里的MAC帧并不是上面说的MAC硬件地址，而是在数据链路层传播的帧。帧的前面就是6个字节的目的MAC地址和源MAC地址

在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节是前同步码，是交替的10，用来调整适配器时钟，迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。 

（8）扩展的局域网

在现代社会中，一个局域网往往需要很大（例如一个学校，一个社区等），而如果只使用一个集线器，当然是不够用的。而且线太长也会使信号失真。这时候就要想各种办法，把局域网扩大。

1）使用光纤扩展主机和集线器之间距离

由于光纤的时延很小，带宽很高，因此可以使用光纤使主机和几公里外的集线器连接。通常是使用一对光纤和一对光纤调制解调器。调制解调器的作用是进行光信号和电信号之间的转换。

2）使用中继器扩展局域网网段长度

中继器是工作在物理层上的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。  中继器是局域网环境下用来延长网络距离的最简单最廉价的网络互联设备，操作在OSI的物理层，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，用于扩展局域网网段的长度（仅用于连接相同的局域网网段）

3）使用多个集线器连成更大的局域网。假设有一所大学，有三个系，各自有一个局域网：

4）在数据链路层扩展局域网

上面所说的三个方法都是在物理层的扩展，也就是人为扩大了局域网物理范围。对于这个被扩大了的局域网来说，依然采用的是广播的方法来通信。而在数据链路层扩展局域网，就不完全是使用广播，而是有选择地把某个信息分发到不同局域网中（当然在单个局域网内依然是广播），这要使用网桥。网桥有很多接口，不同局域网通过网桥的接口连接起来后就形成了一个更大的局域网。原来的每个局域网就称为一个网段（上面也提到了网段的概念）。网桥使各网段成为隔离开的碰撞域。以太交换机（也就是交换机）就是一个拥有很多接口的网桥（通常是十几个）。

网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口 

（来自谢希仁《计算机网络》）