title: 《网络协议》02. 物理层 · 数据链路层 · 网络层
date: 2022-08-31 22:26:48
updated: 2023-11-08 06:58:52
categories: 学习记录：网络协议
excerpt: 物理层（数据通信模型，信道）、数据链路层（封装成帧，透明传输，差错检验，CSMA/CD 协议，Ethernet V2 帧，以太网，PPP 协议）、网络层。
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网络协议
- 1：网络互连模型
- 2：物理层
-
- [2.1：数字信号 & 模拟信号](#2.1：数字信号 & 模拟信号)
- 2.2：数据通信模型
- 2.3：信道
- 3：数据链路层
- 4：网络层
- 5：实例
-
- [5.1：ping 的几个用法](#5.1：ping 的几个用法)
- 5.2：追踪经过的路由器
- [5.3：Wireshark 完整网络层首部](#5.3：Wireshark 完整网络层首部)
网络协议从入门到底层原理。
1：网络互连模型
为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型：OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model）。
- 国际标准：OSI 参考模型（7层）
- 实际应用：TCP/IP 协议（4层）
- 学习研究：（5层）
1.1：请求过程
1.2：网络分层
2：物理层
物理层（Physical）定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等。
2.1：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
- 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
2.2：数据通信模型
局域网通信模型：
广域网通信模型：
网线一般不能超过 100 米；数字信号适用于短距离传输。
2.3：信道
信道（Channel）：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）
3：数据链路层
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。
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：
- 封装成帧
- 透明传输
- 差错检验
3.1：封装成帧
- 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）
- MTU （Maximum Transfer Unit，最大传输单元）：
- 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
3.2：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
- 数据部分一旦出现 SOH、EOT，就需要进行转义。
3.3：差错检验
根据数据部分 + 首部计算得出 FCS。数据传输前和传输后都会计算 FCS 用来检验数据是否出错。
3.4：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）
以太网（Ethernet）：
- 使用了 CSMA/CD 的网络可以称为是以太网，它传输的是以太网帧。
- 用交换机组建的网络，也可以叫做以太网。
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。
3.4.1：Ethernet V2 帧
Ethernet V2 帧的格式：
- 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 - 6 - 6 - 2 - 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。
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）+ FCS（4）+ MTU（1500）
3.5：PPP 协议
PPP 协议（Point to Point Protocol）。
- 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 - 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
字节填充：
- 将
0x7E替换成0x7D5E - 将
0x7D替换成0x7D5D
3.6：网卡
网卡 工作在数据链路层 和物理层。
- 网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃
- Wireshark 抓到的帧没有 FCS，因为它抓到的是差错校验通过的帧（帧尾的 FCS 会被硬件去掉）
- Wireshark 抓不到差错校验失败的帧
4：网络层
网络层（Network）。
网络层数据包 （IP 数据包，Packet）由首部 、数据两部分组成。
数据部分：很多时候是传输层传递下来的数据段（Segment）。
4.1：首部
4.1.1：版本
版本（Version）
- 占 4 位
0b0100：IPv40b0110：IPv6
4.1.2：首部长度
首部长度（Header Length）
- 占 4 位，二进制乘以 4 才是最终长度
0b0101：20（最小值）0b1111：60（最大值）
4.1.3：区分服务
区分服务（Differentiated Services Field）
- 占 8 位
- 可以用于提高网络的服务质量（QoS，Quality of Service）
4.1.4：总长度
总长度（Total Length）
- 占 16 位
- 首部 + 数据的长度之和，最大值是 65535
由于帧的数据不能超过 1500 字节，所以过大的 IP 数据包需要分片（fragments）传输给数据链路层，每一片都有自己的网络层首部（IP 首部）
4.1.5：标识
标识（Identification）
- 占 16 位
- 数据包的 ID。当数据包过大进行分片时，同一个数据包的所有片的标识都是一样的
- 有一个计数器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1
4.1.6：标志
标志（Flags）
- 占 3 位
- 第 1 位（Reserved Bit）：保留
- 第 2 位（Don't Fragment）：1 代表不允许分片，0 代表允许分片
- 第 3 位（More Fragments）：1 代表不是最后一片，0 代表是最后一片
4.1.7：片偏移
片偏移（Fragment Offset）
- 占 13 位
- 片偏移乘以 8：字节偏移
- 每一片的长度一定是 8 的整数倍
4.1.8：生存时间
生存时间（Time To Live，TTL）
- 占 8 位
- 每个路由器在转发之前会将 TTL 减 1，一旦发现 TTL 减为 0，路由器会返回错误报告
- 观察使用
ping命令后的 TTL，能够推测出对方的操作系统、中间经过了多少个路由器
| 操作系统 | 默认 TTL |
|---|---|
| Windows | 128 |
| Unix / Linux | 64 或 255 |
| Mac OS | 60 或 64 |
4.1.9：协议
协议（Protocol）
- 占 8 位
- 表明所封装的数据是使用了什么协议
4.1.10：首部校验和
首部校验和（Header Checksum）
- 用于检查首部是否有错误
5：实例
5.1：ping 的几个用法
下面介绍几个 Windows 下 ping 命令的用法。
查看帮助 ：
ping /?
发送指定大小的数据包 （单位：字节）：
ping <target> -l <num>
示例：
ping ke.qq.com -l 4000
不允许网络层分块 ：
ping <target> -f
示例：
ping www.baidu.com -l 2000 -f
设置 TTL 值 ：
ping <target> -i <num>
5.2：追踪经过的路由器
可以通过 ping <target> -i <num> 改变 TTL 的值来追踪路由器。
更方便的命令：
tracert <target>
pathping <target>
5.3：Wireshark 完整网络层首部
山泉散漫绕阶流，万树桃花映小楼。
------《离思五首》（唐）元稹