网络互连模型之物理层和数据链路层

OSI 参考模型 是 ISO 公司提出的理论知识，并不具备实际应用。

在真实使用中真正得到认可的是 TCP/IP 协议，学习的时候会把【网络接口层】还原成【数据链路层】和【物理层】，因为这两层关乎通信原理，非常重要。

物理层

物理层定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等，比如说网线。数据传输有两种方式，分别是模拟信号和数字信号。

• 模拟信号是连续的信号，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
• 数字信号是离散的信号，不适合长距离传输，它抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复

而网线的传输距离最多不可超过100米，局域网通信可以只使用数字信号，因为距离短，而广域网中通信就需要数字信号+模拟信号组合使用。

另外，一条传输介质上（比如网线）上可以有多条信道（信息传输的通道），大致分为三类，单工通信、半双工通信、全双工通信。

• 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。
• 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：信号可以双向传输，比如手机。

数据链路层

链路表示从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（如交换机等）。比如下图中框住的部分就分别表示一条链路（集线器可看作网线，不算作交换节点）。

另外，数据链路层还有三个问题：封装成帧、透明传输和差错检测。

封装成帧

IP数据包来自网络层，MTU表示最大传输单元，以太网的MTU为1500字节。从网络层到数据链路层，会给数据左右两侧加上首部尾部组成帧。

透明传输

当SOH、EOT分别作为帧开始符和结束符时，如果数据部分出现了 EOT，可能截取错误，所以需要对其进行转义。

差错检测

那么如何检验传递过程中数据是否正确呢？
存在一个 FCS 的数据，是根据帧的数据部分和数据链路层首部计算得出，当接收数据时，网卡会对其进行校验。

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，主要有两种。

• 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）

CSMA/CD协议

具有载波侦听、多路访问、冲突检测的功能，使用了 CSMA/CD的网络为以太网（Ethernet），传输以太网帧。

• 载波侦听：计算机的端口检测该条信道上有没有数据传输，有的话不发送信号
• 多路访问：多个pc都可以发消息
• 冲突检测：当多个pc互相发送消息到集线器时，信号碰撞就会冲突然后回弹，pc自身要检测回来的消息是冲突弹回还是别的机器发送的有用消息

交换机支持全双工通信，具备上面的功能，所以用交换机组件的网络，不需要使用CSMA/CD协议，但它传输的帧依然是以太网帧，所以可以叫做以太网。

以太网帧使用得最多的是 Ethernet V2标准

以太网帧由首部（目标MAC地址、源MAC地址、网络类型） + 数据 + FCS 组成，而为了检测发送的数据是否有冲突，以太网帧的最小长度为64字节，而MTU为1500字节，所以计算得到数据长度范围为 46 ~ 1500 字节，如果数据长度小于 46 字节，数据链路层会自动填充一些数据，接收端再剔除。

PPP协议

路由器之间不使用CSMA/CD协议，而是 PPP 协议。

• Address字段：图中的值是0xFF，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：PPP协议内部用到的协议类型
• 帧开始符、帧结束符：0x7E

当IP数据报中存在与帧开始符、帧结束符冲突的数据会进行替换。

以上就是 物理层和数据链路层的相关知识 ， 更多有关 前端、网络协议 的内容可以参考我其它的博文，持续更新中~