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计算机网络（二）物理层数据链路层

news 2025/9/15 8:34:58

（物理层、数据链路层... 这些分层并不是一种协议，而是一种理论框架）

一、物理层

物理层的核心任务是处理原始比特流在物理传输介质上的传输。
主要任务

物理层的主要任务可以概括为以下几点，它们是确保数据能在网络硬件间可靠传输的基础：

定义传输介质 物理层定义了数据传输所使用的物理介质，例如双绞线、光纤、同轴电缆或无线电波。它规定了这些介质的物理特性和连接方式，确保不同设备能够通过统一的介质进行通信。
定义数据传输单元 物理层的数据传输单元是比特（bit），也就是0和1。它不关心这些比特代表什么信息，只负责将它们以电信号、光信号或无线电信号的形式进行传输。
信号编码 物理层负责将数字比特流（0和1）转换为适合在物理介质上传输的物理信号。这个过程称为编码（Encoding）。例如，它可能用不同的电压水平、光脉冲或无线电频率来表示0和1。
规定接口特性 物理层规定了网络接口的机械、电气、功能和规程特性。
- 机械特性：指明接口的物理形状、尺寸、引脚数量等，例如RJ-45接口。
- 电气特性：定义信号的电压范围、阻抗等，确保信号的有效传输。
- 功能特性：定义接口引脚的作用，例如哪些引脚用于发送数据，哪些用于接收数据。
- 规程特性：定义信号在何时发送、何时接收，以及如何建立和终止连接。
同步机制 物理层必须确保发送方和接收方在比特级上同步，即接收方能正确识别每个比特的开始和结束。这通常通过时钟同步信号或特定的编码方式实现

传输方式

根据数据流动的方向，物理层主要有三种传输模式：

单工（Simplex）：数据只能单向传输。例如，广播电台向听众发送信号，但听众无法向电台发送信号。
半双工（Half-Duplex）：数据可以双向传输，但不能同时进行。例如，对讲机通信，一方说话时，另一方只能听，反之亦然。
全双工（Full-Duplex）：数据可以双向同时传输。这是目前最常见的模式，例如电话或计算机之间的通信

重要设备

物理层涉及的设备都是用来连接和传输信号的：

网线：如双绞线、光纤等，是传输信号的物理介质。
集线器（Hub）：一种简单的网络设备，将所有连接到它的设备连接在一起。它不区分数据流向，收到的信号会广播给所有设备。
中继器（Repeater）：用于放大并重新发送信号，以延长信号的传输距离，克服信号衰减问题。

数据交换

1. 电路交换 (Circuit Switching)

原理： 电路交换在数据传输之前，必须在源节点和目的节点之间预先建立一条专用的、物理的通信路径（电路）。这条电路一旦建立，就会被独占，即使没有数据传输，其他用户也无法使用。数据传输完成后，电路才被释放。

特点：

面向连接： 必须先建立连接，再传输数据。
独占资源： 一旦连接建立，带宽固定且独占。
高效率： 传输过程中没有排队和时延，时延小且稳定。
资源利用率低： 即使没有数据传输，电路也处于占用状态。

应用场景： 传统的电话网络是典型的电路交换系统。当你拨打电话时，网络会为你和对方建立一条独占的线路，保证通话质量。

2. 报文交换 (Message Switching)

原理： 报文交换不需要预先建立连接。源节点将完整的数据块（称为报文）封装好，并附上目的地址，然后将其发送给第一个中间节点。每个中间节点接收到完整的报文后，会先存储下来，然后根据报文的目的地址，将其转发给下一个中间节点。

特点：

无连接： 不需要预先建立连接。
动态分配： 传输路径可以根据网络情况动态选择。
时延大： 报文在每个中间节点需要完整接收和存储，导致时延较大。
存储转发： 这是报文交换的核心特征，需要大量的存储空间。

应用场景： 报文交换在早期的电报网络中使用。它允许不同大小和格式的报文在网络中传输，但由于时延问题，已不适用于实时通信。

3. 分组交换 (Packet Switching)

原理： 分组交换是报文交换的改进版本，也是目前互联网的核心交换方式。它将一个完整的报文（或文件）分割成多个更小的、固定大小的数据块，称为分组（Packet）。每个分组都附有源地址和目的地址，然后被独立地发送到网络中。每个中间节点同样采用存储转发的方式，但由于分组很小，存储和转发的时延大大减少。

特点：

无连接： 像报文交换一样，不需要预先建立连接。
动态路由： 各个分组可以沿着不同的路径到达目的地。
高效率和灵活性： 资源被多个用户共享，提高了网络利用率。
需要重组： 由于分组可能乱序到达，目的节点需要对它们进行重新排序和组合。

应用场景： 互联网是典型的分组交换网络。你正在浏览的网页、发送的邮件，以及观看的视频，都是被分解成一个个分组，在网络中独立传输。

信道复用

是一种在同一条通信信道上同时传输多个独立信号的技术。它的核心思想是，将一个高速、大容量的信道（如一根光纤或一段无线频谱）划分为多个逻辑上独立的子信道，每个子信道可以传输一个单独的数据流，从而最大限度地利用信道资源。主要有以下四种方法

1. 频分复用（FDM）

频分复用（Frequency-Division Multiplexing）是一种基于频率划分的复用技术。

工作原理： FDM 将信道的总带宽划分为多个不重叠的频段。每个信号都被调制到一个特定的载波频率上，占据一个独立的频段。所有信号可以同时传输，因为它们在不同的频率的子信道上，彼此互不干扰。
应用场景： FDM 是模拟信号时代的主要复用技术。最典型的例子是广播电台和电视台。每个电台都使用一个特定的频率进行广播，你的收音机通过调频来接收目标电台的信号。

2. 时分复用（TDM）

时分复用（Time-Division Multiplexing）是一种基于时间划分的复用技术。

工作原理： TDM 将时间划分为一个个非常短的时间片，并按顺序将这些时间片分配给不同的信号。每个信号在分配给它的时间片内，可以独占整个信道的带宽。发送端会按时间片轮流发送来自不同信号的数据，接收端则根据时间片的顺序将数据还原。
应用场景： TDM 主要用于数字信号传输。例如，早期的数字电话系统就使用 TDM 技术，将多个通话的数字信号汇聚到一根线路上。

3. 码分复用（CDM）

码分复用（Code-Division Multiplexing）是一种基于编码划分的复用技术。它是一种更为复杂的复用技术，允许多个信号在同一时间、同一频率上进行传输。

工作原理： 每个信号在发送前都会与一个独特的、彼此正交的码序列（Code Sequence）进行编码。发送端将编码后的多个信号叠加起来，共同发送。接收端则使用相同的码序列对接收到的混合信号进行“解码”，从而分离出特定的信号。
应用场景： CDM 技术在第三代移动通信（3G）中得到了广泛应用。它能够有效利用频谱资源，并提供更高的通信容量。

4. 波分复用（WDM）

波分复用（Wavelength-Division Multiplexing）是光纤通信中的一种特殊复用技术，本质上是 FDM 在光域的实现。

工作原理： WDM 利用光纤的巨大带宽，将不同波长（即不同颜色）的激光作为独立的载波。每个波长都可以承载一个独立的数据流。发送端使用不同的光源来生成不同波长的光信号，然后通过一个复用器将它们汇聚到一根光纤中进行传输。接收端则使用一个解复用器将这些不同波长的光信号分离出来。
应用场景： WDM 是现代光纤通信的基石，特别是在骨干网络中。它使得一根光纤能够同时传输数以十亿甚至数万亿比特每秒的数据，极大地提高了光纤的传输容量。

带宽：

带宽（Bandwidth）在计算机网络中指的是数据传输通道的最大数据传输速率，通常以 比特每秒（bps） 为单位。它衡量的是在单位时间内，网络链接可以从一点传输到另一点的最大信息量。（带宽是一个容量概念，而不是速度概念）

波特率与比特率

码元（Baud）

码元是通信中携带信息的基本信号单元。一个码元可以承载一个或多个比特信息。

码元在传输过程中通常以特定的物理信号来表示，例如不同的电压电平、不同的光脉冲或不同的相位。

重要关系： 码元承载的比特数取决于调制技术。例如：
- 二进制调制： 1个码元携带1个比特（2种信号状态，2¹=2）。
- 四进制调制： 1个码元携带2个比特（4种信号状态，2²=4）。
- 十六进制调制： 1个码元携带4个比特（16种信号状态，2⁴=16）。

调制：用模拟信号代表比特（数字信息01）。

比特率（Bit Rate）也称为数据传输速率，是指单位时间内传输的比特（bit）数量。比特是信息的基本单位，一个比特代表一个二进制位，即0或1。

波特率（Baud Rate），也称为码元速率，是指单位时间内传输的码元数量。它的单位是波特（Baud），即码元每秒。

二、数据链路层

数据链路层的核心任务是在物理层的提供的比特流基础上，提供可靠的数据传输，并确保数据能正确地从一个设备发送到另一个设备

封装成帧

数据链路层接收来自网络层的数据包（Packet），并在其头部和尾部添加控制信息，形成一个数据帧（Frame）。这些控制信息包括帧头（Header）和帧尾（Trailer），用于标记一个帧的开始和结束，方便接收方正确地识别和提取数据。中间承载来自网络层的数据报文（通常是IP数据报）。

错误检验

由于物理信道可能会受到噪声干扰，导致数据在传输过程中出现错误。数据链路层通过在帧中添加冗余校验码（如 CRC 循环冗余校验），来检测传输错误。一旦检测到错误，接收方会采取相应措施（如请求重传）

1. 奇偶校验（Parity Check）

奇偶校验是一种最简单、最古老的数据差错检测技术。它通过在一个数据序列中添加一个额外的**奇偶校验位（Parity Bit）**来确保整个数据块中“1”的数量是偶数或奇数。【常用协议：串行通信】

原理：
- 偶校验（Even Parity）： 发送方计算数据中“1”的数量。如果数量为偶数，校验位设置为0；如果为奇数，校验位设置为1。目的是使总的“1”数量为偶数。
- 奇校验（Odd Parity）： 发送方计算数据中“1”的数量。如果数量为奇数，校验位设置为0；如果为偶数，校验位设置为1。目的是使总的“1”数量为奇数。
检测能力： 奇偶校验只能检测出奇数个比特错误。如果数据中发生了偶数个比特错误，它将无法被检测出来，因为总的“1”的数量不会改变。例如，一个数据块中的两个“1”都变成了“0”，总的“1”数量仍为偶数，校验通过。

2. 校验和（Checksum）

校验和是一种比奇偶校验更复杂的差错检测方法。它通过将数据块中的所有数据进行累加求和，然后将结果（通常是求和的补码）作为校验和附加在数据块的末尾。【常用协议：TCP/UDP】

原理：
- 发送方将数据块视为一系列无符号整数，对它们进行求和。
- 对求和结果进行取反或取补码操作，得到校验和。
- 将校验和附加在数据块末尾发送。
- 接收方对接收到的整个数据块（包括校验和）进行求和。如果没有错误，结果应该是一个固定的值（如全1）。
检测能力： 校验和能检测出大部分的单比特和多比特错误，但对于一些特定的多比特错误（如数据块中两个位置的数值互换）则无法检测。

3. CRC (Cyclic Redundancy Check) 循环冗余校验

CRC是一种功能最强大、应用最广泛的差错检测技术。它基于二进制多项式除法的数学原理。

【常用协议：Ethernet、Wi-FI、HDLC】

原理：
- 发送方将数据块视为一个高阶的二进制多项式。
- 选择一个预先定义的生成多项式（Generator Polynomial）。
- 将数据多项式除以生成多项式，得到的余数就是 CRC 校验码。
- 将 CRC 校验码附加在数据末尾发送。
- 接收方对接收到的数据（包括校验码）再次进行多项式除法。如果没有错误，余数应该为零。
检测能力： CRC 具有强大的差错检测能力。它能百分之百地检测出所有奇数个比特错误、所有两个比特错误，以及所有长度小于等于 CRC 校验码长度的突发错误（Burst Error）。

介质访问控制子层（MAC，Media Access Control）

MAC 子层负责处理对共享介质的访问。它定义了如何使用 MAC 地址来识别设备，并协调多个设备在共享信道上发送数据时的次序，以避免冲突。相关协议如下：

1. ALOHA 协议

ALOHA 协议是最早的介质访问控制协议之一，其思想非常简单粗暴。

工作原理： 在 ALOHA 协议中，任何一个设备想要发送数据时，都可以立即发送，无需检测信道是否空闲。发送后，设备会监听信道，如果在一小段时间内没有收到来自目的地的确认（ACK），就认为数据发生了冲突，然后等待一个随机时间后再次发送。
特点：
- 简单： 实现非常简单，不需要复杂的硬件。
- 效率低： 由于不进行任何冲突检测，冲突的概率很高，导致信道利用率极低（大约18.4％）。
类型：
- 纯 ALOHA： 最原始的版本，只要有数据就立即发送。
- 时隙 ALOHA： 对时间进行了同步，将时间划分为固定的时间片。设备只能在时间片的开始时发送数据，这在一定程度上减少了冲突。（信道理论最大利用率约36.8％）

2. CSMA 协议（载波监听多路访问）

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 协议在 ALOHA 的基础上进行了改进，引入了载波监听（Carrier Sense）机制。

工作原理： 在发送数据前，设备会先监听信道。如果信道是空闲的，它就立即发送；如果信道是忙碌的，它就会等待。
特点：
- 监听信道： 避免了在信道忙碌时发送数据，大大减少了冲突的可能性。
- 仍然存在冲突： CSMA 无法完全避免冲突。因为信号在信道上传播需要时间，可能出现这样的情况：两个设备同时侦听到信道空闲，并在很短的时间内同时发送数据，导致冲突。

3. CSMA/CD 协议（带冲突检测的载波监听多路访问）

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 协议是 CSMA 协议的增强版，专为有线局域网（如以太网）设计。

工作原理： CSMA/CD 在 CSMA 的基础上增加了“冲突检测”（Collision Detection）功能。
1. 监听信道： 像 CSMA 一样，发送前先监听。
2. 边发送边检测： 在发送数据的同时，设备会持续监听信道。
3. 冲突处理： 如果在发送过程中检测到数据冲突，所有涉及冲突的设备会立即停止发送，并向信道发送一个“阻塞信号”，通知其他设备也停止发送。
4. 随机退避： 所有设备会等待一个随机时间后，再次尝试发送数据。
特点：
- 实时检测： 能够快速检测到冲突并停止发送，避免了无谓的传输，提高了信道利用率。
- 物理限制： 适用于有线网络，因为有线网络可以很方便地检测电压变化来判断冲突。

4. CSMA/CA 协议（带冲突避免的载波监听多路访问）

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 协议是 CSMA 协议的另一个版本，主要用于无线局域网（如 Wi-Fi）。

工作原理： 无线电波无法像有线网络那样轻松地进行冲突检测，因为设备在发送时难以同时接收信号。因此，CSMA/CA 采取了“冲突避免”（Collision Avoidance）的策略，而不是事后检测。
1. 监听信道： 发送前先侦听，如果信道空闲，不立即发送。
2. 发送通知： 为了避免“隐蔽终端”问题（设备 A 和 C 互相听不到对方，但都能听到设备 B，导致冲突），设备 A 在发送前会先向信道发送一个“请求发送”（RTS）帧，并等待 B 发送一个“清除发送”（CTS）帧。
3. 发送数据： 只有收到 CTS 帧后，A 才开始发送数据，而其他设备在收到 RTS 或 CTS 帧后，都会在一定时间内保持静默。
特点：
- 避免而非检测： 在传输前通过握手来“预约”信道，从根本上避免了冲突。
- 开销大： RTS/CTS 握手过程增加了额外的开销，使得 CSMA/CA 的效率通常低于理想情况下的 CSMA/CD。

以太网

以太网是一种广泛应用于有线局域网（LAN）的通信协议标准，定义了物理层和数据链路层的实现方式。（IEEE 802.3标准）

这个标准详细定义了以太网的方方面面，包括：

数据帧格式：如何封装数据（MAC地址、FCS等）。
介质访问控制协议：如何使用 CSMA/CD 解决冲突。
物理层规范：如何使用不同的电缆（同轴电缆、双绞线）和光纤进行通信，以及相应的传输速率（如10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps）。

1. 经典以太网帧格式（Ethernet Frame Format）

以太网传输的基本单位是以太网帧（Ethernet Frame）。每个帧都包含控制信息和实际数据，其经典格式如下：

前导码 (Preamble) 和帧开始定界符 (SFD): 这两个字段共8个字节，用于同步发送方和接收方的时钟。它们告诉接收设备，一个新帧即将到来。（不被算在一帧中）
目的MAC地址 (Destination MAC Address): 6个字节，用于指定数据帧的接收者。
源MAC地址 (Source MAC Address): 6个字节，用于指定数据帧的发送者。
类型/长度字段 (Type/Length): 2个字节，用于指示该帧封装的是哪种高层协议（如IPv4、IPv6）或帧的数据长度。
数据字段 (Data): 46到1500个字节，实际承载上层协议（如IP数据包）的数据。
帧校验序列 (FCS): 4个字节，通常使用 CRC（循环冗余校验）。接收方利用这个字段来检测数据在传输过程中是否出现错误。

2. MAC 地址（Media Access Control Address）

一个标准的 MAC 地址由 48 位二进制数组成，通常用 12 个十六进制数表示，例如 00-1B-44-11-3A-B7。

这个 48 位地址被分为两部分：

组织唯一标识符（OUI - Organizationally Unique Identifier）：
- 占用前 24 位（即前 6 个十六进制数）。
- 由 IEEE 负责分配给网卡制造商。
- 比如，00-1A-2B 可能是思科（Cisco）的标识符。这部分可以识别出网卡的生产商。
制造商分配的扩展标识符：
- 占用后 24 位（即后 6 个十六进制数）。
- 由制造商自己为每一块网卡分配，以确保在全球范围内的唯一性。

判断 MAC 地址是单播、组播还是广播，看的是 MAC 地址的第 8 位（第七个比特）

单播（Unicast）

单播是“一对一”的通信。一个数据帧从一个发送方发送给一个特定的接收方。

MAC 地址：MAC 地址的第 8 位为0。
数据流向：数据只发给一个目标设备。
工作模式：交换机收到一个单播数据帧后，会查找自己的 MAC 地址表，将数据精准地转发到目标设备所在的端口。
例子：你在电脑上访问一个网站，你的电脑会向网关发送一个以网关 MAC 地址为目的地址的数据帧。这就是一个典型的单播过程。

组播（Multicast）

组播是“一对多”的通信。一个数据帧从一个发送方发送给一组特定的接收方，而不是所有设备。

MAC 地址：MAC 地址的第 8 位为1。
数据流向：数据只发给加入该组播组的设备。
工作模式：交换机能够识别组播地址，并将数据帧只转发到加入该组播组的端口，避免了向所有设备广播，从而节省了带宽。
例子：一个视频会议系统，发送方发送的视频流只被会议参与者的设备接收。所有参与者的设备都加入了同一个组播组，从而实现高效的视频传输。

广播（Broadcast）

广播是“一对所有”的通信。一个数据帧从一个发送方发送给局域网中的所有设备。

MAC 地址：目的 MAC 地址是特殊的全 F 地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
数据流向：数据会被发送给网络中的每一个设备。
工作模式：交换机或集线器收到一个广播数据帧后，会将它转发到除了接收端口之外的所有端口。
例子：ARP（地址解析协议）就是使用广播机制。当你需要知道某个 IP 地址对应的 MAC 地址时，你的设备会发送一个广播帧，询问“谁是这个 IP 地址的主人？”网络中的所有设备都会收到这个请求，而只有拥有该 IP 地址的设备才会做出回应。

虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网（VLAN）是一种在交换机上实现的逻辑网络划分技术。它允许将一个物理上互联的局域网，划分为多个相互隔离的、独立的广播域。

作用:
- 隔离广播域: 减少不必要的广播流量，提高网络性能。
- 增强安全性: 隔离不同部门或不同性质的设备，防止未经授权的访问。
- 简化管理: 即使设备物理位置不同，也可以将其划分到同一个逻辑网络中。

VLAN通过在以太网帧中添加一个VLAN标签来实现，这个标签包含了VLAN ID等信息，用于识别数据帧所属的VLAN。

VLAN 接口：Access 与 Trunk

在配置支持VLAN的交换机时，需要定义接口的类型。

Access 接口（访问接口）

定义：一个 Access 接口只能属于且承载一个 VLAN 的数据。
用途：主要用于连接终端设备，如计算机、服务器、打印机或 IP 电话等。这些设备通常不理解 VLAN 标签。
工作原理：
- 接收：当一个不带 VLAN 标签的数据帧进入 Access 接口时，交换机会自动为它打上该接口所属 VLAN 的标签。
- 发送：当交换机需要用 Access 接口发送数据帧时，它会剥离该帧上的 VLAN 标签，以确保发送给终端设备的数据是无标签的，因为终端设备无法识别 VLAN 标签。

Trunk 接口（干道接口）

定义：一个 Trunk 接口可以承载多个 VLAN 的数据。它是跨 VLAN 通信的桥梁。
用途：用于连接两个支持 VLAN 的交换机或连接交换机与路由器。它允许不同 VLAN 的数据流通过同一物理链路传输。
工作原理：
- 传输：Trunk 接口传输的数据帧都带有 VLAN 标签。交换机根据帧中的标签信息（如 IEEE 802.1Q 标签），来判断该帧属于哪个 VLAN。
- 封装/解封装：当来自一个 VLAN 的数据帧进入 Trunk 接口时，该接口会确保帧上已打好正确的 VLAN 标签。当这些带标签的帧到达另一个交换机后，Trunk 接口会正确地解析标签，并根据标签将数据转发到对应的 VLAN。