計算機網絡（二）物理層數據鏈路層

（物理層、數據鏈路層... 這些分層并不是一種協議，而是一種理論框架）

一、物理層

物理層的核心任務是處理原始比特流在物理傳輸介質上的傳輸。
主要任務

物理層的主要任務可以概括為以下幾點，它們是確保數據能在網絡硬件間可靠傳輸的基礎：

定義傳輸介質 物理層定義了數據傳輸所使用的物理介質，例如雙絞線、光纖、同軸電纜或無線電波。它規定了這些介質的物理特性和連接方式，確保不同設備能夠通過統一的介質進行通信。
定義數據傳輸單元 物理層的數據傳輸單元是比特（bit），也就是0和1。它不關心這些比特代表什么信息，只負責將它們以電信號、光信號或無線電信號的形式進行傳輸。
信號編碼 物理層負責將數字比特流（0和1）轉換為適合在物理介質上傳輸的物理信號。這個過程稱為編碼（Encoding）。例如，它可能用不同的電壓水平、光脈沖或無線電頻率來表示0和1。
規定接口特性 物理層規定了網絡接口的機械、電氣、功能和規程特性。
- 機械特性：指明接口的物理形狀、尺寸、引腳數量等，例如RJ-45接口。
- 電氣特性：定義信號的電壓范圍、阻抗等，確保信號的有效傳輸。
- 功能特性：定義接口引腳的作用，例如哪些引腳用于發送數據，哪些用于接收數據。
- 規程特性：定義信號在何時發送、何時接收，以及如何建立和終止連接。
同步機制 物理層必須確保發送方和接收方在比特級上同步，即接收方能正確識別每個比特的開始和結束。這通常通過時鐘同步信號或特定的編碼方式實現

傳輸方式

根據數據流動的方向，物理層主要有三種傳輸模式：

單工（Simplex）：數據只能單向傳輸。例如，廣播電臺向聽眾發送信號，但聽眾無法向電臺發送信號。
半雙工（Half-Duplex）：數據可以雙向傳輸，但不能同時進行。例如，對講機通信，一方說話時，另一方只能聽，反之亦然。
全雙工（Full-Duplex）：數據可以雙向同時傳輸。這是目前最常見的模式，例如電話或計算機之間的通信

重要設備

物理層涉及的設備都是用來連接和傳輸信號的：

網線：如雙絞線、光纖等，是傳輸信號的物理介質。
集線器（Hub）：一種簡單的網絡設備，將所有連接到它的設備連接在一起。它不區分數據流向，收到的信號會廣播給所有設備。
中繼器（Repeater）：用于放大并重新發送信號，以延長信號的傳輸距離，克服信號衰減問題。

數據交換

1. 電路交換 (Circuit Switching)

原理： 電路交換在數據傳輸之前，必須在源節點和目的節點之間預先建立一條專用的、物理的通信路徑（電路）。這條電路一旦建立，就會被獨占，即使沒有數據傳輸，其他用戶也無法使用。數據傳輸完成后，電路才被釋放。

特點：

面向連接： 必須先建立連接，再傳輸數據。
獨占資源： 一旦連接建立，帶寬固定且獨占。
高效率： 傳輸過程中沒有排隊和時延，時延小且穩定。
資源利用率低： 即使沒有數據傳輸，電路也處于占用狀態。

應用場景： 傳統的電話網絡是典型的電路交換系統。當你撥打電話時，網絡會為你和對方建立一條獨占的線路，保證通話質量。

2. 報文交換 (Message Switching)

原理： 報文交換不需要預先建立連接。源節點將完整的數據塊（稱為報文）封裝好，并附上目的地址，然后將其發送給第一個中間節點。每個中間節點接收到完整的報文后，會先存儲下來，然后根據報文的目的地址，將其轉發給下一個中間節點。

特點：

無連接： 不需要預先建立連接。
動態分配： 傳輸路徑可以根據網絡情況動態選擇。
時延大： 報文在每個中間節點需要完整接收和存儲，導致時延較大。
存儲轉發： 這是報文交換的核心特征，需要大量的存儲空間。

應用場景： 報文交換在早期的電報網絡中使用。它允許不同大小和格式的報文在網絡中傳輸，但由于時延問題，已不適用于實時通信。

3. 分組交換 (Packet Switching)

原理： 分組交換是報文交換的改進版本，也是目前互聯網的核心交換方式。它將一個完整的報文（或文件）分割成多個更小的、固定大小的數據塊，稱為分組（Packet）。每個分組都附有源地址和目的地址，然后被獨立地發送到網絡中。每個中間節點同樣采用存儲轉發的方式，但由于分組很小，存儲和轉發的時延大大減少。

特點：

無連接： 像報文交換一樣，不需要預先建立連接。
動態路由： 各個分組可以沿著不同的路徑到達目的地。
高效率和靈活性： 資源被多個用戶共享，提高了網絡利用率。
需要重組： 由于分組可能亂序到達，目的節點需要對它們進行重新排序和組合。

應用場景： 互聯網是典型的分組交換網絡。你正在瀏覽的網頁、發送的郵件，以及觀看的視頻，都是被分解成一個個分組，在網絡中獨立傳輸。

信道復用

是一種在同一條通信信道上同時傳輸多個獨立信號的技術。它的核心思想是，將一個高速、大容量的信道（如一根光纖或一段無線頻譜）劃分為多個邏輯上獨立的子信道，每個子信道可以傳輸一個單獨的數據流，從而最大限度地利用信道資源。主要有以下四種方法

1. 頻分復用（FDM）

頻分復用（Frequency-Division Multiplexing）是一種基于頻率劃分的復用技術。

工作原理： FDM 將信道的總帶寬劃分為多個不重疊的頻段。每個信號都被調制到一個特定的載波頻率上，占據一個獨立的頻段。所有信號可以同時傳輸，因為它們在不同的頻率的子信道上，彼此互不干擾。
應用場景： FDM 是模擬信號時代的主要復用技術。最典型的例子是廣播電臺和電視臺。每個電臺都使用一個特定的頻率進行廣播，你的收音機通過調頻來接收目標電臺的信號。

2. 時分復用（TDM）

時分復用（Time-Division Multiplexing）是一種基于時間劃分的復用技術。

工作原理： TDM 將時間劃分為一個個非常短的時間片，并按順序將這些時間片分配給不同的信號。每個信號在分配給它的時間片內，可以獨占整個信道的帶寬。發送端會按時間片輪流發送來自不同信號的數據，接收端則根據時間片的順序將數據還原。
應用場景： TDM 主要用于數字信號傳輸。例如，早期的數字電話系統就使用 TDM 技術，將多個通話的數字信號匯聚到一根線路上。

3. 碼分復用（CDM）

碼分復用（Code-Division Multiplexing）是一種基于編碼劃分的復用技術。它是一種更為復雜的復用技術，允許多個信號在同一時間、同一頻率上進行傳輸。

工作原理： 每個信號在發送前都會與一個獨特的、彼此正交的碼序列（Code Sequence）進行編碼。發送端將編碼后的多個信號疊加起來，共同發送。接收端則使用相同的碼序列對接收到的混合信號進行“解碼”，從而分離出特定的信號。
應用場景： CDM 技術在第三代移動通信（3G）中得到了廣泛應用。它能夠有效利用頻譜資源，并提供更高的通信容量。

4. 波分復用（WDM）

波分復用（Wavelength-Division Multiplexing）是光纖通信中的一種特殊復用技術，本質上是 FDM 在光域的實現。

工作原理： WDM 利用光纖的巨大帶寬，將不同波長（即不同顏色）的激光作為獨立的載波。每個波長都可以承載一個獨立的數據流。發送端使用不同的光源來生成不同波長的光信號，然后通過一個復用器將它們匯聚到一根光纖中進行傳輸。接收端則使用一個解復用器將這些不同波長的光信號分離出來。
應用場景： WDM 是現代光纖通信的基石，特別是在骨干網絡中。它使得一根光纖能夠同時傳輸數以十億甚至數萬億比特每秒的數據，極大地提高了光纖的傳輸容量。

帶寬：

帶寬（Bandwidth）在計算機網絡中指的是數據傳輸通道的最大數據傳輸速率，通常以 比特每秒（bps） 為單位。它衡量的是在單位時間內，網絡鏈接可以從一點傳輸到另一點的最大信息量。（帶寬是一個容量概念，而不是速度概念）

波特率與比特率

碼元（Baud）

碼元是通信中攜帶信息的基本信號單元。一個碼元可以承載一個或多個比特信息。

碼元在傳輸過程中通常以特定的物理信號來表示，例如不同的電壓電平、不同的光脈沖或不同的相位。

重要關系： 碼元承載的比特數取決于調制技術。例如：
- 二進制調制： 1個碼元攜帶1個比特（2種信號狀態，21=2）。
- 四進制調制： 1個碼元攜帶2個比特（4種信號狀態，22=4）。
- 十六進制調制： 1個碼元攜帶4個比特（16種信號狀態，2?=16）。

調制：用模擬信號代表比特（數字信息01）。

比特率（Bit Rate）也稱為數據傳輸速率，是指單位時間內傳輸的比特（bit）數量。比特是信息的基本單位，一個比特代表一個二進制位，即0或1。

波特率（Baud Rate），也稱為碼元速率，是指單位時間內傳輸的碼元數量。它的單位是波特（Baud），即碼元每秒。

二、數據鏈路層

數據鏈路層的核心任務是在物理層的提供的比特流基礎上，提供可靠的數據傳輸，并確保數據能正確地從一個設備發送到另一個設備

封裝成幀

數據鏈路層接收來自網絡層的數據包（Packet），并在其頭部和尾部添加控制信息，形成一個數據幀（Frame）。這些控制信息包括幀頭（Header）和幀尾（Trailer），用于標記一個幀的開始和結束，方便接收方正確地識別和提取數據。中間承載來自網絡層的數據報文（通常是IP數據報）。

錯誤檢驗

由于物理信道可能會受到噪聲干擾，導致數據在傳輸過程中出現錯誤。數據鏈路層通過在幀中添加冗余校驗碼（如 CRC 循環冗余校驗），來檢測傳輸錯誤。一旦檢測到錯誤，接收方會采取相應措施（如請求重傳）

1. 奇偶校驗（Parity Check）

奇偶校驗是一種最簡單、最古老的數據差錯檢測技術。它通過在一個數據序列中添加一個額外的**奇偶校驗位（Parity Bit）**來確保整個數據塊中“1”的數量是偶數或奇數。【常用協議：串行通信】

原理：
- 偶校驗（Even Parity）： 發送方計算數據中“1”的數量。如果數量為偶數，校驗位設置為0；如果為奇數，校驗位設置為1。目的是使總的“1”數量為偶數。
- 奇校驗（Odd Parity）： 發送方計算數據中“1”的數量。如果數量為奇數，校驗位設置為0；如果為偶數，校驗位設置為1。目的是使總的“1”數量為奇數。
檢測能力： 奇偶校驗只能檢測出奇數個比特錯誤。如果數據中發生了偶數個比特錯誤，它將無法被檢測出來，因為總的“1”的數量不會改變。例如，一個數據塊中的兩個“1”都變成了“0”，總的“1”數量仍為偶數，校驗通過。

2. 校驗和（Checksum）

校驗和是一種比奇偶校驗更復雜的差錯檢測方法。它通過將數據塊中的所有數據進行累加求和，然后將結果（通常是求和的補碼）作為校驗和附加在數據塊的末尾。【常用協議：TCP/UDP】

原理：
- 發送方將數據塊視為一系列無符號整數，對它們進行求和。
- 對求和結果進行取反或取補碼操作，得到校驗和。
- 將校驗和附加在數據塊末尾發送。
- 接收方對接收到的整個數據塊（包括校驗和）進行求和。如果沒有錯誤，結果應該是一個固定的值（如全1）。
檢測能力： 校驗和能檢測出大部分的單比特和多比特錯誤，但對于一些特定的多比特錯誤（如數據塊中兩個位置的數值互換）則無法檢測。

3. CRC (Cyclic Redundancy Check) 循環冗余校驗

CRC是一種功能最強大、應用最廣泛的差錯檢測技術。它基于二進制多項式除法的數學原理。

【常用協議：Ethernet、Wi-FI、HDLC】

原理：
- 發送方將數據塊視為一個高階的二進制多項式。
- 選擇一個預先定義的生成多項式（Generator Polynomial）。
- 將數據多項式除以生成多項式，得到的余數就是 CRC 校驗碼。
- 將 CRC 校驗碼附加在數據末尾發送。
- 接收方對接收到的數據（包括校驗碼）再次進行多項式除法。如果沒有錯誤，余數應該為零。
檢測能力： CRC 具有強大的差錯檢測能力。它能百分之百地檢測出所有奇數個比特錯誤、所有兩個比特錯誤，以及所有長度小于等于 CRC 校驗碼長度的突發錯誤（Burst Error）。

介質訪問控制子層（MAC，Media Access Control）

MAC 子層負責處理對共享介質的訪問。它定義了如何使用 MAC 地址來識別設備，并協調多個設備在共享信道上發送數據時的次序，以避免沖突。相關協議如下：

1. ALOHA 協議

ALOHA 協議是最早的介質訪問控制協議之一，其思想非常簡單粗暴。

工作原理： 在 ALOHA 協議中，任何一個設備想要發送數據時，都可以立即發送，無需檢測信道是否空閑。發送后，設備會監聽信道，如果在一小段時間內沒有收到來自目的地的確認（ACK），就認為數據發生了沖突，然后等待一個隨機時間后再次發送。
特點：
- 簡單： 實現非常簡單，不需要復雜的硬件。
- 效率低： 由于不進行任何沖突檢測，沖突的概率很高，導致信道利用率極低（大約18.4％）。
類型：
- 純 ALOHA： 最原始的版本，只要有數據就立即發送。
- 時隙 ALOHA： 對時間進行了同步，將時間劃分為固定的時間片。設備只能在時間片的開始時發送數據，這在一定程度上減少了沖突。（信道理論最大利用率約36.8％）

2. CSMA 協議（載波監聽多路訪問）

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 協議在 ALOHA 的基礎上進行了改進，引入了載波監聽（Carrier Sense）機制。

工作原理： 在發送數據前，設備會先監聽信道。如果信道是空閑的，它就立即發送；如果信道是忙碌的，它就會等待。
特點：
- 監聽信道： 避免了在信道忙碌時發送數據，大大減少了沖突的可能性。
- 仍然存在沖突： CSMA 無法完全避免沖突。因為信號在信道上傳播需要時間，可能出現這樣的情況：兩個設備同時偵聽到信道空閑，并在很短的時間內同時發送數據，導致沖突。

3. CSMA/CD 協議（帶沖突檢測的載波監聽多路訪問）

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 協議是 CSMA 協議的增強版，專為有線局域網（如以太網）設計。

工作原理： CSMA/CD 在 CSMA 的基礎上增加了“沖突檢測”（Collision Detection）功能。
1. 監聽信道： 像 CSMA 一樣，發送前先監聽。
2. 邊發送邊檢測： 在發送數據的同時，設備會持續監聽信道。
3. 沖突處理： 如果在發送過程中檢測到數據沖突，所有涉及沖突的設備會立即停止發送，并向信道發送一個“阻塞信號”，通知其他設備也停止發送。
4. 隨機退避： 所有設備會等待一個隨機時間后，再次嘗試發送數據。
特點：
- 實時檢測： 能夠快速檢測到沖突并停止發送，避免了無謂的傳輸，提高了信道利用率。
- 物理限制： 適用于有線網絡，因為有線網絡可以很方便地檢測電壓變化來判斷沖突。

4. CSMA/CA 協議（帶沖突避免的載波監聽多路訪問）

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 協議是 CSMA 協議的另一個版本，主要用于無線局域網（如 Wi-Fi）。

工作原理： 無線電波無法像有線網絡那樣輕松地進行沖突檢測，因為設備在發送時難以同時接收信號。因此，CSMA/CA 采取了“沖突避免”（Collision Avoidance）的策略，而不是事后檢測。
1. 監聽信道： 發送前先偵聽，如果信道空閑，不立即發送。
2. 發送通知： 為了避免“隱蔽終端”問題（設備 A 和 C 互相聽不到對方，但都能聽到設備 B，導致沖突），設備 A 在發送前會先向信道發送一個“請求發送”（RTS）幀，并等待 B 發送一個“清除發送”（CTS）幀。
3. 發送數據： 只有收到 CTS 幀后，A 才開始發送數據，而其他設備在收到 RTS 或 CTS 幀后，都會在一定時間內保持靜默。
特點：
- 避免而非檢測： 在傳輸前通過握手來“預約”信道，從根本上避免了沖突。
- 開銷大： RTS/CTS 握手過程增加了額外的開銷，使得 CSMA/CA 的效率通常低于理想情況下的 CSMA/CD。

以太網

以太網是一種廣泛應用于有線局域網（LAN）的通信協議標準，定義了物理層和數據鏈路層的實現方式。（IEEE 802.3標準）

這個標準詳細定義了以太網的方方面面，包括：

數據幀格式：如何封裝數據（MAC地址、FCS等）。
介質訪問控制協議：如何使用 CSMA/CD 解決沖突。
物理層規范：如何使用不同的電纜（同軸電纜、雙絞線）和光纖進行通信，以及相應的傳輸速率（如10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps）。

1. 經典以太網幀格式（Ethernet Frame Format）

以太網傳輸的基本單位是以太網幀（Ethernet Frame）。每個幀都包含控制信息和實際數據，其經典格式如下：

前導碼 (Preamble) 和幀開始定界符 (SFD): 這兩個字段共8個字節，用于同步發送方和接收方的時鐘。它們告訴接收設備，一個新幀即將到來。（不被算在一幀中）
目的MAC地址 (Destination MAC Address): 6個字節，用于指定數據幀的接收者。
源MAC地址 (Source MAC Address): 6個字節，用于指定數據幀的發送者。
類型/長度字段 (Type/Length): 2個字節，用于指示該幀封裝的是哪種高層協議（如IPv4、IPv6）或幀的數據長度。
數據字段 (Data): 46到1500個字節，實際承載上層協議（如IP數據包）的數據。
幀校驗序列 (FCS): 4個字節，通常使用 CRC（循環冗余校驗）。接收方利用這個字段來檢測數據在傳輸過程中是否出現錯誤。

2. MAC 地址（Media Access Control Address）

一個標準的 MAC 地址由 48 位二進制數組成，通常用 12 個十六進制數表示，例如 00-1B-44-11-3A-B7。

這個 48 位地址被分為兩部分：

組織唯一標識符（OUI - Organizationally Unique Identifier）：
- 占用前 24 位（即前 6 個十六進制數）。
- 由 IEEE 負責分配給網卡制造商。
- 比如，00-1A-2B 可能是思科（Cisco）的標識符。這部分可以識別出網卡的生產商。
制造商分配的擴展標識符：
- 占用后 24 位（即后 6 個十六進制數）。
- 由制造商自己為每一塊網卡分配，以確保在全球范圍內的唯一性。

判斷 MAC 地址是單播、組播還是廣播，看的是 MAC 地址的第 8 位（第七個比特）

單播（Unicast）

單播是“一對一”的通信。一個數據幀從一個發送方發送給一個特定的接收方。

MAC 地址：MAC 地址的第 8 位為0。
數據流向：數據只發給一個目標設備。
工作模式：交換機收到一個單播數據幀后，會查找自己的 MAC 地址表，將數據精準地轉發到目標設備所在的端口。
例子：你在電腦上訪問一個網站，你的電腦會向網關發送一個以網關 MAC 地址為目的地址的數據幀。這就是一個典型的單播過程。

組播（Multicast）

組播是“一對多”的通信。一個數據幀從一個發送方發送給一組特定的接收方，而不是所有設備。

MAC 地址：MAC 地址的第 8 位為1。
數據流向：數據只發給加入該組播組的設備。
工作模式：交換機能夠識別組播地址，并將數據幀只轉發到加入該組播組的端口，避免了向所有設備廣播，從而節省了帶寬。
例子：一個視頻會議系統，發送方發送的視頻流只被會議參與者的設備接收。所有參與者的設備都加入了同一個組播組，從而實現高效的視頻傳輸。

廣播（Broadcast）

廣播是“一對所有”的通信。一個數據幀從一個發送方發送給局域網中的所有設備。

MAC 地址：目的 MAC 地址是特殊的全 F 地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
數據流向：數據會被發送給網絡中的每一個設備。
工作模式：交換機或集線器收到一個廣播數據幀后，會將它轉發到除了接收端口之外的所有端口。
例子：ARP（地址解析協議）就是使用廣播機制。當你需要知道某個 IP 地址對應的 MAC 地址時，你的設備會發送一個廣播幀，詢問“誰是這個 IP 地址的主人？”網絡中的所有設備都會收到這個請求，而只有擁有該 IP 地址的設備才會做出回應。

虛擬局域網（VLAN）

虛擬局域網（VLAN）是一種在交換機上實現的邏輯網絡劃分技術。它允許將一個物理上互聯的局域網，劃分為多個相互隔離的、獨立的廣播域。

作用:
- 隔離廣播域: 減少不必要的廣播流量，提高網絡性能。
- 增強安全性: 隔離不同部門或不同性質的設備，防止未經授權的訪問。
- 簡化管理: 即使設備物理位置不同，也可以將其劃分到同一個邏輯網絡中。

VLAN通過在以太網幀中添加一個VLAN標簽來實現，這個標簽包含了VLAN ID等信息，用于識別數據幀所屬的VLAN。

VLAN 接口：Access 與 Trunk

在配置支持VLAN的交換機時，需要定義接口的類型。

Access 接口（訪問接口）

定義：一個 Access 接口只能屬于且承載一個 VLAN 的數據。
用途：主要用于連接終端設備，如計算機、服務器、打印機或 IP 電話等。這些設備通常不理解 VLAN 標簽。
工作原理：
- 接收：當一個不帶 VLAN 標簽的數據幀進入 Access 接口時，交換機會自動為它打上該接口所屬 VLAN 的標簽。
- 發送：當交換機需要用?Access 接口發送數據幀時，它會剝離該幀上的 VLAN 標簽，以確保發送給終端設備的數據是無標簽的，因為終端設備無法識別 VLAN 標簽。

Trunk 接口（干道接口）

定義：一個 Trunk 接口可以承載多個 VLAN 的數據。它是跨 VLAN 通信的橋梁。
用途：用于連接兩個支持 VLAN 的交換機或連接交換機與路由器。它允許不同 VLAN 的數據流通過同一物理鏈路傳輸。
工作原理：
- 傳輸：Trunk 接口傳輸的數據幀都帶有 VLAN 標簽。交換機根據幀中的標簽信息（如 IEEE 802.1Q 標簽），來判斷該幀屬于哪個 VLAN。
- 封裝/解封裝：當來自一個 VLAN 的數據幀進入 Trunk 接口時，該接口會確保幀上已打好正確的 VLAN 標簽。當這些帶標簽的幀到達另一個交換機后，Trunk 接口會正確地解析標簽，并根據標簽將數據轉發到對應的 VLAN。