作为初学者，物理层与数据链路层要了解哪些
作者：一天 首发公众号：网络之路博客（ID：NetworkBlog）
前言
前面讲解了一个网址访问中的通信过程，接下来几篇来把这个过程里面一些细节的地方讲解下，这些完毕后就开始正式进入路由交换的内容了。相信大家都玩过单机游戏，记得博主最早开始喜欢玩像CS、半条命、帝国时代、魔兽争霸3、英雄无敌这些单机游戏，后来选了计算机专业后，为了更好的学习在第二学期购买了台笔记本，中午跟晚上就喜欢跟宿舍的人一起玩这种联机游戏，下面就从这样的故事来进入今天的主题内容。
我们能接触到的物理层
两台电脑进行联机，那势必需要用网线把两个电脑的网卡连接起来，大家都知道，直接电脑店买一根多少米的，接在一起就完事了，但是在早期其实不是这样的，你去电脑店购买的时候，老板通常会问一句，你这个网线是用于电脑之间连接，还是电脑接其他设备，这是因为网线有两种线序标准，一种是568A，一种是568B，如果你是电脑之间连接，老板会给你做成交叉线（一头568A一头是568B），如果你是与交换机、路由器连接，老板会给你做成直通线（两头线序一样），这就是物理层带来的规范标准，采用什么物理介质，以及怎样的线路去连接，这样在使用的过程中就不会出错了。
但是现在你去购买网线的时候，老板直接问你要几米，不会在去问你是用来接什么设备的了，这是因为在现在的网络设备跟电脑网卡里面自带了一种功能，叫做自动翻转（线序自适应），设备之间能够自动的适应，不管是使用交叉还是直通线来让电脑接电脑，还是电脑接交换机、路由器都能够进行通信，这种功能可以看成是技术的进步，给施工人员减轻了很大的工作量。
这个小插曲了解后，终于把两台电脑进行连接，网卡设置对应IP、掩码、网关等参数后(对应的这些参数，在下一篇会讲解）就可以开始联机一起玩了，这种连接的形式，就是常听到的局域网（LAN），并且可以发现很多游戏上面写着局域网联机。
慢慢的随着宿舍的电脑增加，一个电脑只有一个网卡，就没办法进行两台以上的组网了，不同时间段接触网络的朋友，可能解决的办法不一样，在早期的时候，其实是并没有交换机的设备的，而是一种叫做HUB的物理层设备（集线器），它有多个接口，可以提供给不同设备进行连接，这样解决了多台电脑之间局域网连接的问题，但是集线器有几个很大缺点。
缺点一：广播模式（广播域）
除了打游戏以外，大家平时也会共享一些学习、娱乐的资料，按正常逻辑来说，A发一个文件给D，B跟C是不会收到的，但是在集线器里面B跟C也会收到，当A把数据发送出去后，集线器是一个物理层设备，它不会对以链路层做任何的解封装操作，只会将接收到的物理信号进行放大，把A这个口收到的数据从其他口广播出去，这个就叫做广播域。（相当于村里或者学校的广播站，大家都能听到，在一个广播的范围内。）
最终的结果就是A本来想给D单独发的，结果B跟C也收到了，虽然B跟C不会看里面实际的内容（因为从解封装的过程发现MAC地址并不是找的自己，就会丢弃），但是在安全性上面存在很大的隐患，以及会浪费不必要的链路资源。
缺点二：冲突域
同样的集线器（HUB）只是一个信号放大器以及半双工的工作方式，收到一个数据后是直接发送，不做缓存（它也没有这个机制），这就会出现一个问题，在同一时间只能有一台电脑发送数据给HUB处理，比如上图，A与D同时想发送文件给C，HUB收到后就会产生冲突，这个就叫做冲突域。（冲突域这个问题了解就行，在现在的设备里面已经解决了这个问题。）
缺点三：共享带宽
集线器（HUB）内部结构是通过一根总线连接起来的，所有的接口都是共享这总线的带宽，如果总线是10M，那么这个集线器的总速率就是10M，那这个时候如果接了4台终端，那么每台终端平均分配的带宽则是10/4=2.5M，终端越多速率就越低。
至此呢，宿舍一群人总算可以愉快的一起玩游戏，但是传输文件资料的时候，通常就把集线器的带宽给占满了，其余电脑没办法使用，为此呢很苦恼。（这里介绍这里多集线器的事情，只是想大家了解下网络设备的发展史，以及引入出后面我们要学习的设备，这样大家印象会深刻些，集线器是在如今看是已经是一个历史的产物了。）
既然Hub这么不靠谱，在当时候又没有更好的设备去取代，所以这种情况下，数据链路层是定义了一些规则，来尽量解决这个Hub带来的问题。（这里说明下，数据链路层里面协议非常多，本次课程内容出发跟重点都是讲解企业组网，重点放在局域网这块，局域网目前使用的就是以太网协议，后面会介绍，这里先说明下，因为很多朋友可能看过很多初学的文档教材，里面会介绍链路层很多的协议，会弄的有些乱。）
规则一：谁先发，谁后发
上面提到过，在Hub的环境下，只要有两台设备同时发送数据，就会产生冲突，在二层以太网中引入了一个机制，CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测），这个机制规定了，接在Hub下的终端不停的检测共享线路的状态，如果目前空闲，则发送数据，如果检测有人在发送，则等待一段时间后继续检查，整体的原理就是，先听后发，边发边听，冲突停发，随机延时后重发。（可以看成我们的红绿灯，同样有多个方向的路径，如果没有规则，那出现事故的几率是不是就大很多了）
规则二：这个数据是谁发送出来的，谁来接收
规则三：如果这个数据帧在发送过程中，出现了错误，收到后怎么办？（二跟三都在下面统一回答）
不知道大家有没有仔细观察过，不管是个人PC的网卡、光猫、路由器、服务器都有一个MAC地址，这是网卡厂家出厂的时候就已经烧录在里面了，也被称为硬件地址。MAC地址在数据链路上作为设备的地址标识符，需要确保在网络中的MAC地址是唯一的，这样才能够正确的识别到数据链路上的设备。
MAC地址由6个字节组成，前面三个字节表示厂商唯一标识符（比如图上面的44-8A-5B），不同网卡厂商都有特定的组合，后三个字节由厂家自己进行分配，这样能够保证厂家生产出来的网卡MAC地址不会相同。
由于MAC地址太长了，有6个字节（Byte），而一个字节=8个比特（bit），由0跟1组成，比如上面的物理地址是44-8A-5B-D9-91-D9，如果说换算成二进制则为01000100-10001010-01011011-11011001-10010001-11011001，不要说非业内人士，就是业内人士看到这一串二进制比特也得看迷糊了，所以为了方便查看，各个厂家的MAC地址都统一用十六进制来表示，并且不同的操作系统表示的方式不太一样，这个在后续会慢慢的遇到。
MAC地址在以太网中有什么用呢？
在如今的我们局域网中，使用的协议是以太网Ⅱ协议，属于数据链路层中的其中一种协议，在早期的时候有线局域网有多个协议同时存在竞争的，像ATM、令牌环、FDDI，这些协议带来的产品要么价格贵、要么速率低，随着以太网推出100M标准后，进入快速以太网时代，这个时候以太网得到了突飞猛进的市场支持跟占有率，慢慢的称为主流，紧接着推出来了千兆以太网、以及万兆，至今在局域网中能看到的主流协议就是以太网了，目前使用的是第二代，也称为以太网Ⅱ。以太网是一个典型的多路访问的网络，跟上面宿舍一样，A、B 、C、D都接在Hub上面，都能够互相进行访问，而不是说只能访问某一个，那就带来了一个问题，那么A、B、C、D它怎么识别这个数据帧是给自己的呢？又是谁发送的呢？，这个就是以太网中MAC地址的作用，能够根据这个地址定位到某个具体的终端设备，因为MAC地址具有唯一性，下面来看下以太网Ⅱ的数据帧格式。
以太网Ⅱ的数据帧格式
前导码（ Preamble ）
前导码由 7 个字节组成，每个字节固定为 10101010 。之后的 1 个字节称为帧起始定界符，这个字节固定为 10101011 。这 8个字节表示以太网帧的开始，也是对端网卡能够确保与其同步的标志。帧起始定界符的最后两位比特被定义为 11 ，作用是告诉接收方进行同步并做好接收数据帧的准备，这里说下，这个是网卡会完成这部分的操作，知道有这个存在就行。（后很多教材里面不会把前导码这个字段标识出来）
目的MAC地址（Destination address）
由六个字节组成，明确说明这个数据帧是交给谁的（要访问的目的终端设备）
源MAC地址 (Source address)
由六个字节组成，标明这个数据帧是谁发的（发起这个数据的源设备）
类型（Type）
由2个字节组成，表明了上一层的协议类型，可以让接收方知道上一层使用的什么，用对应的协议进行读取。（这里是不是解答了第二篇里面最后问道的其中一个问题了，在数据帧里面会标明上层的协议，而不用等解封装后到了上一层才知道）
数据（Data）
实际的数据内容，数据帧能够容纳的最大数据范围是46~1500个字节，如果说数据部分不足46个字节，会进行填充，满足最小的长度要求。
FCS （ Frame Check Sequence ） CRC
用于校验除前导码以太的所有帧信息，保证传输的帧的完整性和正确率，如果发现数据帧不完整或者错误，就直接丢弃，不交给上层处理，减少没必要的消耗。（这个就是规则三里面的，由FCS来解决出现了错误后怎么办的问题）
交换机的出现
Hub的问题上面都知道了，Hub本身的工作模式还是最大的问题，一旦局域网的终端机器增多，那么冲突的几率就越大，即使有了这些机制的出现，可以避免冲突，但是增加了等待延时，糟糕的情况就是主机有个很大的文件在传输，那么其他的终端设备就得一直等待传输完毕，使用效率非常低下，这样的设备满足不了市场的需求，这个时候交换机（switch）就出现了，交换机跟HUB有本质上面的区别。
（1）能够读取数据帧
Hub工作在物理层的设备，而交换机是工作在数据链路层以及以上的设备，它是具有读取数据帧的功能的，并且能够使用以太网协议，这样就算数据帧有错误的地方，可以通过FCS来进行校验，有问题的直接丢弃，而Hub则不行，直接就广播出去了。
（2）工作在全双工以及独立的接口硬件，速率得到了提升
Hub上面介绍过是工作在半双工，它只有物理电信号放大的作用，所以导致了冲突域的出现，而交换机不一样，从内部结构就改变了这个问题，它把每个接口独立出来，有单独的芯片处理，把每个口之间给独立出来了，好处是（1）1口给2口发送数据的时候，不会影响到其他接口，隔离了冲突域，并且，其他口也可以同时发送数据。（2）每个口可以工作在全双工模式，可以同时接收与发送数据 （3）带宽不在是跟Hub一样，共享的形式了，比如交换机是百兆交换机，那么每个接口都可以独享100M，如果交换机是千兆，每个接口则可以独享1000M。这样就解决了局域网规模增大，由于冲突带来的问题，并且带宽也得到了提升。
（3）具有学习地址的功能
Hub它收到一个数据的时候是直接广播到其他接口，这种模式显然影响整个网络，安全隐患大，交换机改变了这种模式，由于它工作在链路层，也使用了以太网协议，它能够去学习MAC地址，并且通过学习把它记录在自己的数据表中，这样交换机就知道，哪个口是对应哪个MAC了，当A去访问D的时候，交换机收到这样一个数据帧后，读取到里面的目的MAC是发给D的，D在4号接口，直接交给D的接口即可，而不用把数据从其他接口广播的形式发送了。
至此呢，交换机从取代集线器开始到如今一直在企业网中使用，并且在如今的网络设备中，交换机不在是单纯的归纳到数据链路层了，因为在企业网中还有高级点的三层交换机，能处理IP数据包，以及能读取四层的端口号信息，但是核心的理念还是不变的，这些我们在正式进入交换机篇的时候会详细讲解。
知识点扩充
（1）半双工跟全双工
这个作为了解即可，现在的网络环境正常情况下都是工作在全双工，半双工是指数据在传输过程中同时只能像一个方向传输，要么上传要么下载（Hub设备），就好比一个单车道的路，同时只能一辆车过去，或者是过来，如果两边同时通过，那么就在某个点就出现了冲突了。全双工指交换机可以发送数据的同时也能接收数据，这样可以得到更高的传输效率，没有冲突、速度快、延迟小，就好比双车道上，来来往往的车辆互不影响。
（2）总结下Hub与交换机的特点
Hub与交换机的工作原理跟特点其实上面都已经介绍过了，这里就在举一个有点接近的比喻，Hub有点类似于一个大的办公区域，这个时候经理有事情跟老板沟通，势必会让其他员工分心，想听听有什么内容，这样就影响了员工的办公效率，同时也没有私密性，员工也不能在老板谈话的时候去打扰它，这样会造成冲突。
慢慢的公司发展起来了，这里交换机还是作为一个大的办公区域，高层人员都有了独立的办公室，想要找到某个人沟通，只需要去往对应的门牌号（MAC地址）就能找到对应的人进入房间沟通，不会影响到其他人，办公室之间也不会相互冲突。
（3）关于速率问题（Bye/bit）
这个属于一个物理层介质的单位问题，不知道大家有没有发现过，比如我们电脑里面的文件大小单位都是MB、GB，这个属于存储以字节作为单位，但是在我们学习的网络中，是以最小的比特做单位的，1字节=8比特，所以你可能会困惑，明明我拉了条100M的带宽，但是实际在下载的时候怎么只能达到10~12MB左右，这就是因为带宽的单位用的是比特，而不是字节，而下载数据用的单位是字节，中间相差8倍，这里作为一个补充了解下，后续在换算或者做某些带宽限制的时候用的上。
（4）关于每一层数据的称呼
数据的发送与接收都是一个封装与解封装的过程，每一层数据都有不同的称呼，在物理层叫做比特，在数据链路层叫做帧。（其他层面的介绍到了会进行说明，这个了解即可）
遗留下来的细节问题（思考下）
在上文提到的网卡设置IP地址、掩码、网关的参数，有什么作用呢？已经有了MAC地址为什么还要IP地址呢？（下一篇关键内容）
A发送文件给D，在初始化的情况下，A怎么就能够知道D的MAC就是这个呢？（下几篇关键内容）
交换机它是如何学习到A、B、C、D的MAC地址的呢？（交换机篇会详细讲解）
交换机的一个接口能否学习到多个MAC呢，那假设移动位置后，交换机会怎么处理？（交换机篇会详细讲解）
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