有关TCP/IP模型中的网络接入层
2020-10-18
关键字：物理层、数据链路层、OSI模型
计算机网络发展至今其实出现过多种不同的通信协议，但最为重要的还是由ISO国际标准化组织于1984年公布的OSI开放式系统互联参考模型。OSI模型是一套先理论后实践的协议模型，它的抽象与设计过程在缺少实际应用场景的情况下也长达十年之久，因此OSI在实际应用以后被发现因部分模块设计的过于细致而难以实施。于是，一种OSI参考模型的简化版--TCP/IP参考模型，就应运而生了。虽然现在的计算机网络中TCP/IP参考模型的应用更为广泛，但OSI模型的人气始终高涨，每当人们谈论起计算机网络通信协议时，总是围绕着OSI模型来阐述自己的观点。
网络接入层是TCP/IP模型中的第一层，它对标的是OSI模型中的物理层+数据链路层。本文记录一下笔者对于这一层次的重点知识的理解。同样，本文会以OSI模型中的物理层和数据链路层两个角度来分别记录。
1、物理层
物理层是最底层的协议，它的职责完全和硬件，或者说物理设备相关。
物理层被设计出来的目的其实就两个：
1、制定硬件标准；
2、制定传输信号标准。
制定硬件标准
主要是统一物理线缆的标准。如线缆的材质、线缆接头的尺寸和形状、接头的引脚数量以及排列规则等。常见的硬件有：双绞线、水晶头、串行接口、568A/568B网线线序等。
制定传输信号标准
我们都知道计算机是使用二进制数制的，常以高、低电平两种状态来表示。电平即是电压值，那么究竟多少伏的电压算低电平，多少伏又算高电平呢？或者考虑到误差的存在，是否应该设定一个容错范围呢？在通信过程中一个电压值是否需要保持一定的时间才能算作有效数据呢？这个时间长度又该如何定义呢？还有如应如何表示通信的起始与结束动作呢？这些问题都是物理层传输信号标准应该明确的。
通信介质
目前计算机网络领域的通信介质有两种：
1、有线介质；
2、无线介质。
有线介质
有线介质中最常用的类型有两种：“双绞线”与“光纤”。
双绞线用于传输数字电信号，它是由两根相互绝缘的铜质导线按一定的规格绞合组成一组通信通道，一般一根双绞线内部包含两组或四组这样的绞合线缆。OSI模型所描述的计算机网络中仅需要用到两组绞合线缆即可，那种有四组绞合线缆的双绞线多出来的线缆一般作为预留线缆供扩展功能使用。双绞线又分为“屏蔽双绞线（STP）”与“非屏蔽双绞线（UTP）”两种，二者的区别就是线缆外层是否有用于屏蔽外部电磁干扰的金属屏蔽层。由此我们也能猜到STP的价格肯定是要高于UTP的，且由于一般用户的网络使用环境对电磁干扰并没有这么敏感，因此在日常生活中UTP的使用会更广泛一些。双绞线的一大缺点就是传输距离过短，一根双绞线中所能传输的最大距离通常不超过100米，距离过长会使信号衰减至无法识别的地步。因此长距离信号传输必须在适当位置加中继设备。目前IEEE将双绞线划分为以下几个类别：
1、3类线（CAT-3）
CAT即是Category的缩写。
2、5类线(CAT5)
3、超5类线(CAT5e)
4、超6类线(CAT6e)
不同类型线缆之间最主要的区别就是所能传输的速率不同，目前常见的是5类及以上类型线缆。
光纤用于传输光信号，光纤线缆无论是传输距离还是传输速率都远优于双绞线。光纤目前主要可分为“单模光纤”与“多模光纤”两种，单模光纤传输距离远，但由于其同一时刻只能传输一种模式的光，因此其带宽较窄。多模光纤带宽较大，但传输距离较短。
IEEE为以太网制定的协议标准为 802.3标准。不过协议也是在不断发展的，不同差异的以太网标准其命名也只是在 802.3后添加不同的标识符区别而已，如802.3i、802.3u等。
无线介质
无线介质通常是指基于电磁波的通信模式。基于无线介质的通信网络有很多，为了便于区分不同的通信类型，IEEE为它们分别制定了相关标准，常见的几种网络及其对应的标准如下所示：
1、Wi-Fi -- 802.11
2、蓝牙 -- 802.15
与以太网协议相同，无线通信协议也在不断改进中，不同版本的协议会在对应标准数字后面加上相应字母区分，诸如：802.11a、802.11g、802.11ac等。
2、数据链路层
数据链路层是紧贴着物理层的层次，它的主要职责有二，一是聚集物理层过来的电平信号，将它们转换成有意义数据包。二是判断接收到的数据包并对其作出丢弃或向上层传递的决策。这是针对数据从外面进来的情况，数据从设备流出到互联网络时直接将此过程逆转过来就行了。
以太网协议
以太网是有线局域网的别称。以太网协议即是网络数据在数据链路层中所对应的协议，它同时也是OSI参考模型所描述的协议栈中的一员。
以太网协议有两种，一种是目前使用最广泛的 ETHERNET II类型，其格式如下图所示：
另一种则是由IEEE颁布的802.3标准，其格式如下图所示：
前导码总共8个字节，前导码的目的是为了提醒接收方当前需要传输基于以太网协议封装的数据包。在分析以太网协议时前导码一般不需要理会。
目的地址与源地址即指收发双方的MAC地址，各占6个字节。
长度/类型占2个字节。
数据即是携带由更上层封装的信息内容的部分了，其长度不固定。
填充位就是用于填充数据的。以太网协议规定一个数据包至少要有64个字节，最大不超过1518字节，而以太网控制字段只有18字节，当数据部分内容太少不够凑成最小数据包时，就由填充字段来填满空缺。
FCS是帧校验序列段，长度为4个字节。
自动协商机制
前面提到以太网一直都在发展当中，不同时期的以太网其标准、速率等可能会有不同。为了充分利用旧设备，新设备往往需要对老旧设备的通信标准作兼容。自动协商机制的目的就是使新设备能够自动兼容旧设备的机制。自动协商的意思其实就是通信双方会选择一个双方都能识别的最高通信标准进行通信。
MAC地址
MAC地址是计算机设备的硬件地址，它被设计的目的是为了给设备编一个全球唯一的号码以便在网络通信中能作为身份识别之用。MAC地址可以类比成是现实世界中人的“姓名”，它直接关系到具体的设备。
MAC地址由6个字节组成，前3个字节是厂商代码，由IEEE统一分配。后3个字节则由具体的生产商自行分配。这有点像IP地址的形式。
MAC地址目前有三类：
1、单播MAC地址；
2、广播MAC地址；
3、组播MAC地址。
单播MAC地址：即普通的MAC地址，由IEEE分配前三个字节，对应生产商自行分配后三个字节。凡是不属于广播MAC地址与组播MAC地址的都是单播地址。
广播MAC地址：6个字节全为FF（FF:FF:FF:FF:FF:FF）的MAC地址即为广播MAC地址。数据链路层在接收到MAC地址为广播地址的数据包时，应立即向它的上层传递此包，这表明任何设备都会接收这种类型的数据包，此为“广播”之含义。
组播MAC地址：单播是点对点通信，广播是全设备通信，组播即是夹于二者之间的“局部通信”。在网络通信中，只要是属于某一组播MAC地址的设备都会接收该组类型的以太网数据包。IPv4下的组播MAC地址前3个字节固定为 01:00:5E，第25位固定为0，剩余位为组播IPv4地址的后23位。 IPv6下的组播地址前2个字节固定为33:33，后32位使用组播IPv6地址的后32位。
网络接入层中主要的知识点就这些，当然真实的网络接入层远比本文中描述的要复杂，但于笔者而言了解上面这些也已经差不多了，更详细的知识就只能后续按需学习了。
