网络协议从入门到底层原理（3）网络互联模型、物理层、数据链路层(CSMA/CD协议、Ethernet V2帧、PPP协议)

- 日理万妓 2023-01-04 13:28 114阅读 0赞

### 网络协议从入门到底层原理 ###

*  网络互联模型（了解请求过程、网络分层）
 *  物理层（Physical）
 *   *  数字信号、模拟信号
     *  数据通信模型
     *  信道（单工、半双工、全双工）
 *  数据链路层（Data Link）
 *   *  封装成帧
     *  透明传输
     *  差错检验
     *  CSMA/CD协议
     *  Ethernet V2帧的格式、Ethernet V2标准
     *  PPP协议（Point to Point Protocol）

> [【网络协议从入门到底层原理】学习笔记汇总][Link 1]

# 网络互联模型（了解请求过程、网络分层） #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
请求过程：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
物理层的1代表前同步码：![在这里插入图片描述][20210110210123478.png]  
后面的 Ethernet V2帧格式有讲。

网络分层：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

# 物理层（Physical） #

物理层定义了**接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式**等  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 数字信号、模拟信号 ##

模拟信号（Analog Signal）

*  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  
    ![在这里插入图片描述][20210110150152540.png]

数字信号（Digital Signal）

*  离散的信号，不适合长距离传输
 *  抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复  
    ![在这里插入图片描述][20210110150241687.png]

## 数据通信模型 ##

**局域网通信模型**：  
![在这里插入图片描述][20210110150836357.png]  
注：网线一般不能超过100米；数字信号适用于短距离传输。

**广域网通信模型**：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 信道（单工、半双工、全双工） ##

信道：信息传输的通道，一条传输介质上（比如网线）上可以有多条信道

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、有线电视广播

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**同时双向传输**
 *  比如手机（打电话，听说同时进行）’

# 数据链路层（Data Link） #

链路：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  
![在这里插入图片描述][20210110154313572.png]  
数据链路：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

*  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）

数据链路层的3个基本问题（任何链路都需要）

*  封装成帧
 *  透明传输
 *  差错检验

## 封装成帧 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
帧（Frame）的数据部分：

*  就是网络层传递下来的 **数据包（IP数据包，Packet）**

最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）：

*  每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限
 *  以太网的MTU为1500个字节

## 透明传输 ##

*  使用 SOH（Start Of Header）作为 **帧开始符**
 *  使用 EOT（End Of Transmission）作为 **帧结束符**

若数据部分出现 EOT，容易让接收端产生错误的理解：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
所以数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行**转义**：在后面加上ESC  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

## 差错检验 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
FCS是根据数据部分 + 首部计算得出的，数据传输前和传输后都会计算FCS用来检验数据是否出错。

## CSMA/CD协议 ##

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）

*  载波侦听多路访问/冲突检测

使用了CSMA/CD的网络可以称为是**以太网**（Ethernet），它传输的是**以太网帧**

*  以太网帧的格式有：**Ethernet V2标准**、IEEE的802.3标准
 *  使用最多的是：**Ethernet V2标准**

为了能够**检测正在发送的帧是否产生了冲突**，以太网的帧至少要 64 字节

用**交换机**组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是**以太网帧**

*  所以，用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网

## Ethernet V2帧的格式、Ethernet V2标准 ##

Ethernet V2帧的格式：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

*  **首部**：目标MAC + 源MAC + 网络类型
 *  **以太网帧**：首部 + 数据 + FCS
 *  数据的长度至少：64-目标MAC(6)-源MAC(6)-类型(2)-FCS(4) = 46字节

--------------------

Ethernet V2标准：  
当数据部分的长度小于 46 字节时

*  数据链路层会在数据的后面加入一些字节**填充**
 *  接收端会将添加的字节去掉  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

长度总结

*  以太网帧的**数据长度**：46~1500 字节  
    46字节 = 64 - 目标MAC(6) - 源MAC(6) - 类型(2) - FCS(4)  
    以太网的MTU为 1500 个字节
 *  **以太网帧的长度**：64~1518字节  
    为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要 64 字节  
    1518字节 = 目标MAC(6) + 源MAC(6) + 网络类型(2) + 数据(1500) + FCS(4)

## PPP协议（Point to Point Protocol） ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

*  帧开始符、帧结束符：0x7E
 *  Address 字段：图中的值是 0xFF，形同虚设，**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：内部用到的协议类型

PPP协议 —— 字节填充  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

*  将 0x7E 替换成 0x7D5E
 *  将 0x7D 替换成 0x7D5D

[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43734095/article/details/112449428
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221119/a5adc38c97094b8186a7e0f746bbbfe8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221119/cd28f696098043eebb17785e0a8e8846.png
[20210110210123478.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210110210123478.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210110145630315.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[20210110150152540.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210110150152540.png
[20210110150241687.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210110150241687.png
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