图解TCP/IP协议(三)物理层和数据链路层+mac地址/以太网/无线通信

一、物理层数据链路层简介

  1. 数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。通信媒介包括双绞线电缆、同轴电缆、光纤、电波以及红外等。各个设备之间有时也会通过交换机、网桥、中继器等中转数据。
  2. 计算机都是以二进制0、1来表示信息,实际的通信媒介之间处理的却是电压的高低、光的闪灭、电波的强弱等信号。把这些信号与二进制的0、1进行转换正是物理层的责任。数据链路层处理数据也不是单纯的0、1序列,该层把它们集合为一个叫做的块,然后再进行传输。
  3. 数据链路层的相关技术:mac寻址、介质共享、非公有网络、分组交换、环路检测。
  4. 数据链路的传输方式:以太网、WLAN(无线局域网)、PPP(点对点协议)。

二、逐个概念介绍

1.数据链路的段
数据链路的段是指一个被分割的网络。从不同的角度看,含义也不相同。例如:用中继器将两条网线相连组成的一个网络。从网络层的角度看,这是一个网络段;从物理层的角度看,一条网线是一个段。
2.网络拓扑

网络的连接和构成的形态成为网路拓扑。网络拓扑一般包括:总线型、环型、星型、网状型。

3.mac地址

mac地址用于识别数据链路中互联的节点。其他比如:无限LAN、蓝牙设备中也是用相同的mac地址。mac地址长为48比特。mac地址中包含的信息:

  • 第1位:单播地址(0)/多播地址(1)
  • 第2位:全局地址(0)/本地地址(1)
  • 第3—24位:由IEEE管理,保证厂家之间不重复。
  • 第25—48位:由厂商管理并保证产品之间不重复。

mac地址不一定是唯一的,实际上,即使mac地址相同,只要不是属于一个数据链路就不会出问题。例如,一台主机上如果启动多个虚拟机,由于没有硬件的网卡只能由虚拟软件自己设定mac地址给多个虚拟网卡,这时就很难保证所生成的地址是独一无二的了。

4.介质共享型网络
共享介质指由多个设备共享一个通信介质的一种网络。以太网就是介质共享型网络。在这种方式下,设备之间使用同一个载波信道进行发送和接收。共享介质型网络中,由两种介质访问控制方式:**争用方式**和**令牌传递**。

争用方式:是指争夺获取数据传输的权力。网络中各个节点采用先到先得的方式占用信号发送数据,例如:A、B、C三个设备同时使用一个传输介质传输数据,如果A想给B发送消息,如果传输介质没有数据流动,则立刻将数据发送给C(此时C接收数据的过程是:A和C同时从传输介质中数据的报文中读取接收端的mac地址,若跟自己不匹配则丢弃)。如果此时传输介质有数据流动,这种情况叫做发生冲突。解决冲突的办法:

  • 如果传输介质上没有数据流动,则任何站都可以发送数据。
  • 检查是否会发生冲突,一旦发生冲突,则放弃发送数据。
  • 随机延时一段时间,再重新争用介质,重新发送帧。

如果多个站同时发送帧,则会产生冲突现象。也因此会导致网络拥堵与性能下降。如果多个站同时发送帧,则会产生冲突现象。也因此会导致网络拥堵与性能下降。


令牌传递方式:令牌传递方式是沿着令牌环发送一种叫做“令牌”的特殊报文。只有获得令牌的节点才能发送数据。例如:A、B、C三个设备,令牌环的顺序为A—>B—>C—>A的关系,假设A要传输数据给B,首先,A获得令牌后,将令牌和数据传给B,B发现自己是接收端,设置一个“已接收数据”的标志位,再沿着环。这种方式的两大特点:

  • 不会由冲突。发给C,C发现自己不是接收端,直接再发给A,数据帧回到发送源地址后被丢弃,同时令牌再沿着环传递给下一个节点
  • 每个站都有通过平等循环获得令牌的机会。

即使网络拥堵也不会造成性能下降。

4.非共享介质网络

非共享介质网络是指不共享介质,是对介质采取专用的一种传输控制方式。在这种方式下,网络中的每个站直连交换机,由交换机发送数据帧。

5.环路检测技术
在上面的3中提到的令牌传递方式可能会出现问题。例如:通过网桥连接的网络,是如何让处理环路的?这与网络的拓扑结构有关系。最坏的情况下:数据帧会在环路中被一而再再而三的持续转发。当某个节点由于网络拓扑结构收到很多个节点传来的数据帧,这种数据帧越积越多可能会导致网络瘫痪。为了解决网络中的环路问题。有**生成树**和**源路由**两种方式。
  • 生成树:每个网桥必须在每1—10秒内相互交换BPDU(Bridge Protocol Data Unit)包,从而判断哪些端口使用哪些端口不使用,消除重复环路。一旦发生故障,则自动切换通信线路,利用那些没有被使用的端口继续进行传输。图解TCP/IP协议(三)物理层和数据链路层+mac地址/以太网/无线通信_第1张图片
  • 源路由法:该方式可以判断发送数据的源地址是通过那个网桥实现传输的,并将帧写入RIF(Routing Information Field)。网桥则根据这个RIF信息发送帧给目标地址。在这种机制中,发送端本身必须具备源路由的功能。
6.VLAN

VLAN(Virtual Local Area Network)的中文名为"虚拟局域网"。虚拟局域网(VLAN)是一组逻辑上的设备和用户,这些设备和用户并不受物理位置的限制,可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来,相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样,由此得名虚拟局域网。VLAN是一种比较新的技术,工作在OSI参考模型的第2层和第3层。主要的优点:

  • 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少。
  • 提高硬件设备的使用率。

在计算机网络中,一个二层网络可以被划分为多个不同的广播域,一个广播域对应了一个特定的用户组,默认情况下这些不同的广播域是相互隔离的。不同的广播域之间想要通信,需要通过一个或多个路由器。这样的一个广播域就称为VLAN。

三、以太网

以太网(Ethernet)一词源于Ether(以太),意为介质。在爱因斯坦提出量子力学之前,人们普遍认为宇宙空间充满以太,并以波的形式传送着光。以太网基于NIC(网卡)及驱动程序出现。目前,以太网已经称为最具兼容性与未来发展性的一种数据链路。

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以太网通信电缆的不同及通信速度的差异,衍生出了不同的以太网类型。
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以太网的帧格式:
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四、无线通信

无线通信通常使用电磁波、红外线、激光等方式进行传播数据。一般在办公室的局域网范围内组成的较高速的连接称为无线局域网。无线通信的种类主要有:

  • 无线PAN(Personal Area Network)
  • 无线LAN(Local Area Network)
  • 无线MAN(Metropolitan Area Network)
  • 无线RAN(Regional Area Network)
  • 无线WAN(Wide Area Network)

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使用无线通信技术实现的应用主要有:

  1. Wi-Fi
  2. Hi-Fi(High Fidelity:高保真、高重现)
  3. 蓝牙

五、PPP

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六、其他数据链路

  • ATM(Asynchronous Transfer Mode)
  • POS(Packet over SDH/SONET)
  • FDDI(Fiber Distributed Data Interface)
  • 100VG=AnyLAN
  • 光纤通道
  • HIPPI
  • HDMI(High-Definition Multimedia INterface)
  • iSCSI
  • InfiniBand
  • DOCSIS
  • 高速PLC

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七、公共网络

  • 模拟电话线路(台式机的“猫”)

  • 移动通信服务(在有基站的服务器范围内可以接收到信号,手机信号)

  • ADSL(是对已有的模拟电话线路进行扩展的一种服务)

  • FTTP(Fiber To The Home:一根高速光纤直接连接到用户家里或者公司的方法,通过一个叫ONU(Optical Network Unit)的装置将计算机与之关连)

  • 有线电视(无线电视通常使用无线电波,电视信号经常受天气或者建筑物干扰,有线电视则可很少受这种干扰)

  • 专线(一对一的连接,用ATM来实现)

  • VPN(虚拟专用网络,用于连接距离较远的地域,这种服务包括IP-VPN和广域以太网)图解TCP/IP协议(三)物理层和数据链路层+mac地址/以太网/无线通信_第14张图片

  • 公共无线LAN(公开可以使用Wi-Fi的服务)

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