二、物理層與數據鏈路層

物理層

  介於因特網的分層架構，所以對於每一層的作用必然是我們學習的重點。而物理層作爲因特網的最低層，它的作用就是連接物理主機並傳輸比特流。傳輸比特流大致分爲兩種方式：電話交換與分組交換。這兩種方式的區別是如何爲網絡流量分配傳輸線路。

電路交換

  採用這種方式傳輸數據必須有 建立連接 – 傳輸數據 – 斷開連接的過程。但是由於因特網上傳輸數據具有突發性，並不是平均每個時間都有數據在傳輸，因此當沒有數據傳輸卻仍然佔據着線路，這是對資源的極大浪費，因此這種方式很少採用。

分組交換

  另外一種方式就是分組交換。我們可以把因特網看作是N條線路連接起來的網絡，電路交換的問題就是當從主機A傳輸數據到主機B需要經過X、Y、Z三條線路時，數據僅在線路X上傳輸時，線路Y、Z也是被佔用無法被其他傳輸過程使用的，而分組交換是當數據在X上傳輸時，Y、Z仍然可以服務於其他數據傳輸過程。分組交換的核心思想就是存儲轉發，其最重要的設備就是路由器，當網絡層的分組經過路由器時，路由器會將其存儲下來，然後查找自身的轉發表再選擇合適的線路轉發出去。
  所以總結一下：物理層的作用就是傳輸二進制流。

數據鏈路層

  數據鏈路層位於物理層之上，網絡層之下，它負責將網絡層的數據報(分組)封裝成幀，便於傳輸，除此之外，它還提供了透明傳輸和差錯檢測的功能，可以發現，它是爲網絡層服務的。

封裝成幀：
  記住，在網絡上傳輸的永遠是0101101100這樣的二進制數據流，但是爲什麼我們在網絡的不同分層上有不同的叫法呢？因爲在網絡中傳輸的數據其實都是以分組(IP數據報)爲單位進行傳輸的。雖然各層傳輸的都是二進制流，但是它們之間還是有區別的，在網絡層，傳輸的數據叫作IP數據報或分組。因爲在網絡層傳輸時網絡層協議(其實協議就是軟件)會在傳輸層傳下來的數據包前面加上特定的協議信息組成IP數據報，而在數據鏈路層，在不同的協議下傳輸的數據也會加上不同的協議信息。如下面的圖所示：

而爲了讓物理層能夠在比特流中識別一個幀，我們需要在IP數據報前面加上幀首部和幀尾部。所謂的幀尾部和幀首部其實就是分割不同幀的標誌— 即確定幀的界限。ASCII碼中有33個字符是不可打印的，它們都可以作爲控制字符。

透明傳輸：
  我們在網絡中傳輸的不僅僅是文本，還有視頻、音頻等二進制數據，那麼如果我們傳輸的數據中出現了控制字符怎麼辦？因特網的前輩們相出的方法是當在傳輸的數據部分出現控制字符時，在其前面加上轉義字符，即告知轉義字符後面的數據需要轉義，並不是真正的幀結束和開始標記。如果傳輸的數據中還有轉義字符，那麼就在轉義字符前面再加上轉義字符。這樣子實現了傳輸控制字符的功能即透明傳輸。

差錯檢測：
  在因特網中傳輸的數據因爲各種現實原因，難免會出錯，那麼我們怎麼知道我們接收到的數據就是原來發送的數據呢？這個就是在鏈路層來解決這個問題，即差錯檢測。差錯檢測有很多種實現方式，這裏講一種最常見的，即循環冗餘校驗(CRC)。下面介紹其基本思想：
  假設要傳輸一個k位的比特流，在其後加上n位的幀校驗碼組成(k+n)位進行傳輸，然後在接收端用這個(k+n)位的數據除以一個除數，看餘數是否爲0，如果不爲0就代表數據傳輸過程中出現差錯。那麼那個幀校驗碼是如何得到的？首先，我們選擇一個合適的除數(它的選擇其實有點複雜)，假設是m位的，那麼我們在原來要傳輸的數據k後面加上m-1個0得到新數據n，然後用n/m得到一個餘數，這個餘數就是幀校驗碼。原數據加上幀校驗碼傳輸到達目的地時又除以約定的除數，如果餘數不爲0則代表傳輸出錯。 注意：數據鏈路層實現的是差錯檢測，而不是可靠傳輸，可靠傳輸是傳輸層實現的功能。

  在數據鏈路層，有兩種常用的信道類型，一是點對點信道，二是廣播信道。在這兩種不同的信道上通信使用的是不同的傳輸協議，即PPP協議和CSMA/CD協議。對於PPP協議來說，其實現的功能用戶與ISP進行通信，這裏只是提一下，感興趣的小夥伴自己可以查閱資料，推薦《TCP/IP詳解卷一》。對於CSMA/CD協議，我們需要好好看一看。

局域網的數據鏈路層
  在局域網(根據網絡大小區分)中，以太網是應用最爲廣泛的通信技術，它使用的都是廣播信道。常見網絡拓撲結構有如下幾種：

除此之外，IEEE 802委員會將局域網的數據鏈路層分成兩層：

1. 邏輯鏈路控制LLC層
2. 媒體接入控制MAC層
   
   但實際上大多數網卡(適配器)上都只實現了MAC層，因此我們後面對局域網的數據鏈路層的討論也只會侷限於MAC層。
   上面提到了網卡。對於這種設備很有必要介紹一下：它是我們計算機想要上網的必要設備，大致可分爲有線網卡和無線網卡，它在出廠時就會被分配一個獨一無二的48位(6字節)的MAC地址。注意：網卡是有過濾功能的，它會對每次接收到的數據幀進行檢查，如果發現其目的地址不是自身或者幀本身傳輸出錯，則會丟掉不作處理。
   
   家庭局域網：
     可以看到家庭局域網是星型結構。
   
   CSMA/CD協議：
     它是用於總線拓撲結構之上的一種協議，即載波監聽和碰撞監測。其基本思想是：在主機發送數據前或發送數據中都需要監測信道，看是否有其他主機同時在發送數據，如果是，則取消這次數據的發送，等待隨機時間後再次發送。實際上星型網絡拓撲結構從邏輯上來看也是總線類型的拓撲結構。

以太網的MAC層：
  我們重點需要學習以太網MAC層上傳輸的數據幀的格式，如下圖所示：

以太網層的任務：
  把來自網絡層的IP數據報加上特定的首部和尾部組成數據幀，然後傳給物理層；另外解析來自物理層的數據幀並進行過濾，剝除數據幀的幀首部和幀尾部取出IP數據報交給網絡層。
  看上圖，數據幀的幀首部有6字節的源地址、6字節的目的地址和2字節的協議類型標識，另外幀尾部有4字節的幀校驗序列。源地址即表明此數據幀上次所經過設備的MAC地址，而目的地址表示此數據幀要交付的目標設備的MAC地址。而2字節的類型表示數據部分傳輸的是哪種協議的數據報，常見的有IP數據報、ARP請求和應答數據報。如下圖：

特別需要注意的是：數據幀的數據部分是有長度限制的：其必須是 [46, 1500] 之間。爲什麼需要限制數據幀的大小呢？個人觀點是：網絡層傳輸分組是基於存儲轉發的機制實現的，如果數據幀太大，勢必會導致路由器因緩存區滿而丟掉一部分數據包，導致網絡傳輸效果差；另外一點，過大的數據幀傳輸也會消耗更多的時間，導致佔據信道時間過長，進而導致另外一部分數據長時間無法轉發導致響應率低的問題。

由於數據從一個主機到另一個主機的傳輸勢必需要經過網絡層，因此這裏不介紹數據傳輸的過程，等下一篇文章再討論。