网络协议-网络基础-从物理层到链路层

Posted 2021-02-18 stringarray

从物理层到链路层

在计算机网络中，物理层负责将光电信号转化为 0、1 比特流用来表示信息，数据链路层把这些信息集合为一个叫做「帧」的块，再进行传输。

TCP/IP 未对数据链路层及以下部分（物理层）做定义，因为 TCP/IP 以这两层的功能是透明的为前提，但是，数据链路层的知识对于深入理解 TCP/IP 与网络起着至关重要的作用，所以这一篇我们重点来介绍数据链路层，物理层主要是物理介质，比如光缆、电缆、双绞线等，更多的是硬件结构，不在我们重点论述范围。

MAC地址

介绍数据链路层，离不开 MAC 地址，MAC 地址用于识别数据链路中互连的节点，在使用网卡的情况下，MAC 地址一般在出厂的时候就被烧到 ROM 中，不可更改，而且全球唯一。

我们见到的 MAC 地址都是通过十六进制树来表示：

在计算机内部，则是通过 48 位二进制数来表示，对应结构及区间含义如下：

MAC 地址的全局唯一性通过厂商识别码和产品识别码（厂商内识别码）共同保证，就好比咱们 php 通过 Composer 安装的扩展包也是通过厂商名/产品名确定全局唯一一样。

在同一个数据链路里（比如同一个局域网），互连的主机之间通过 MAC 地址即可实现相互通信。

以太网

在数据链路中最著名，使用最广泛的莫过于以太网（Ethernet），现在我们的计算机联网基本都是借助以太网来实现的，如果你在命令行通过 ifconfig（Windows下是ipconfig）查看网卡信息，即可窥见端倪：

以 en 开头的都是基于以太网的网卡，是 Ethernet 的简写。如果是在 Windows 下则更加直白：

早期，以太网通过同一根同轴电缆将多台终端设备连接起来，这种共享介质的连接方式有一个显著的缺点，就是发送和接收信号不能同时进行，只能实现半双工通信，并且多台设备也不能同时通信，需要争夺对通信介质的控制，如果同时通信，容易出现信道冲突。

为了提高通信效率和速度，随着技术的不断发展，现在的以太网一般都采用终端与交换机直连独占电缆的方式，实现了全双工通信，并且不同终端也可以同时发送信息，因为通信介质都是独占的，不存在控制权和冲突问题：

以太网根据线缆介质的不同，分为多种类型，对应的带宽也不同，所有这些不同类型的以太网都是遵循 IEEE802.3 标准：

这些不同类型的以太网前面的数字代表带宽（传输速度），比如 10 代表 10Mbps（比特每秒），1000 代表1000Mbps 等，后面的 5、T、TX 等代表传输介质。传输速度相同传输介质不同的以太网需要通过中继器或集线器连接，传输速度不同的以太网需要通过网桥、交换集线器或路由器进行连接。通过这种连接，最终构成了大大小小的计算机网络。

数据帧格式

以以太网为例，在数据链路层中，传输的数据帧主体格式如下：

其中，有 6 个字节的目标 MAC 地址，6 个字节的源 MAC 地址，2 个字节的上层协议类型，剩下的是传输数据，对以太网来说，数据大小是 1500 字节，还有最后 4 位是帧检验序列（FCS），用于检测帧是否损坏。

无线通信

无线通信不需要借助任何可见的线缆和网线，一般通过电磁波、红外线、激光进行数据传播，无线通信标准由 IEEE802.11 定义，常见的种类如下：

以上就是数据链路层常见实现所使用到的技术基础知识，单单靠物理层与数据链路层还是无法实现网络通信的，因为在互联网中，还需要 IP 地址才能实现主机节点之间的通信，而 IP 地址归属于 IP 协议，IP 协议则是网络层的协议。

Wi-Fi 的由来与无线通信

Wi-Fi是 WECA（无线以太网兼容性联盟）为普及 IEEE802.11 的各种标准而打造的一个品牌。

WECA 从 02 年开始更名为 Wi-Fi Appliance，该组织向 Wi-Fi 设备厂商提供 IEEE802.11 产品的互操性测试，并对合格的产品颁发 Wi-Fi Certified认证，因此，带有 Wi-Fi 标志的无线 LAN 设备意味着该产品已经过互操性测试并通过认证。

与音响中的 Hi-Fi 这个词类似，Wi-Fi 指高质量的无线 LAN。

在我们普通老百姓口中，Wi-Fi 俨然是无线网络的代名词，但严格来说，它只是整个网络结构中的一小部分，在家庭或公司这样的小型局域网（LAN）中，有线网通过网线连接，无线网通过无线电波传输数据：

另外，无线 LAN 的无线电波可能会受到其它设备的干扰，导致信号不稳定，比如微波炉，放射的也是无线电波，频率与无线 LAN 频率相近，就会干扰 WiFi 信号。

除了 Wi-Fi 所支持的无线 LAN，无线网络技术还有近距离的蓝牙、城域范围的 WiMax、用于家电远程控制的 ZigBee、以及我们在户外使用的 3G、4G 乃至 5G 网络（无线 WAN）。