第3章 網絡訪問層

第3章 網絡訪問層

協議和硬件

網絡訪問層是最神祕、最不統一的TCP/IP層，它管理爲物理網絡準備數據所必須的服務器與功能，包括：

• 與計算機網絡適配器的鏈接
• 根據合適的訪問方式調整數據傳輸
• 把數據轉換爲電子流或模擬脈衝的形式，以在傳輸介質上進行傳輸
• 對接收到的數據進行錯誤檢查
• 給發送的數據添加錯誤檢查信息，從而讓接收端計算機可以對數據進行錯誤檢查

網絡訪問層定義了與網絡硬件交互和訪問傳輸介質的過程。不幸的是，現實世界中存在着不少不一樣類型的物理網絡，它們都具備本身的規範，並且均可能做爲網絡訪問層的底層。好在網絡訪問層對於平常用戶來講幾乎是透明的。網絡適配器與操做系統和協議軟件的一些關鍵底層組件，管理與網絡訪問層相關的主要任務，用戶只須要進行一些簡單的配置步驟便可。而桌面操做系統不斷完善的即插即用和自動配置特性進一步簡化了這些步驟

網絡訪問層與OSI模型

TCP/IP網絡訪問層大體對應OSI的物理層和數據鏈路層。OSI的物理層負責把數據幀轉換爲適合於傳輸介質的比特流，也就是說，OSI物理層管理和同步實際傳輸的電子或模擬脈衝。在接收端，物理層把這些脈衝從新組合爲數據幀

OSI數據鏈路層執行兩個獨立的任務，相應地劃分爲兩個子層。

• 介質訪問控制（MAC）:這個子層提供與網絡適配器鏈接的接口。實際上，網絡適配器驅動程序被稱爲MAC驅動，而網卡在工廠固化的硬件地址一般被稱爲MAC地址
• 邏輯鏈路控制（LLC）：這個子層對通過 子網傳遞的幀 進行 錯誤檢查 ，而且管理子網上通訊設備之間的鏈路

網絡體系

網絡體系（好比以太網）具備一系列的規範來管理介質訪問、物理尋址、計算機與傳輸介質的交互。網絡體系包含對物理網絡的定義，以及該物理網絡上定義的通訊規範。這些規範包含如下幾個方面。

• 訪問方法：定義了計算機如何共享傳輸介質的一組規則。
• 數據幀格式：來自於網際層的IP級別的數據報以預約義的格式封裝爲數據幀，封裝在包頭上的數據必須提供在物理網絡上傳遞數據所須要的信息
• 佈線類型：網絡所使用的線纜類型對於其餘設計參數具備必定的影響，好比適配器傳遞的比特流的電子特性
• 佈線規則：協議、線纜類型和傳輸的電子特性影響着線纜的最大和最小長度、電纜鏈接器的規範

像線纜類型和鏈接器類型這樣的細節問題並非由網絡訪問層直接負責的，但爲了設計網絡訪問層的軟件組件，開發人員必須假定物理網絡具備特定的性質。

最重要的是，網絡訪問層以上的協議層沒必要關心硬件設計問題。TCP/IP協議棧的設計保證了與硬件交互相關的細節都發生在網絡訪問層，使得TCP/IP可以工做於多種不一樣的傳輸介質

網絡訪問層包括以下一些網絡體系。

• IEEE 802.3(以太網)：在大多數辦公室和家庭使用的基於線纜的網絡
• IEEE 802.11(無線網絡)：在辦公室、家庭和咖啡廳使用的無線網絡技術
• IEEE 802.16(WiMAX)：用於移動通訊長距離無線鏈接的技術
• 點到點協議(PPP)：Modem經過電話線進行鏈接的技術

因爲網絡訪問層封裝了傳輸介質的細節，所以協議棧的上層能夠獨立於硬件進行操做

物理尋址

前面的章節講到，網絡訪問層須要把邏輯IP地址與網絡適配器的固定物理地址相關聯。物理地址一般也被稱爲MAC地址，這是由於在OSI模型中，物理尋址是由介質訪問控制（MAC）子層負責的。因爲物理尋址系統是封裝在網絡訪問層中的，因此地址能夠根據網絡體系規範採用不一樣的形式。

通過局域網傳遞的數據幀必須使用這個物理地址來標識源適配器和目的適配器，但冗長的物理地址（以太網使用48比特意址）的可用性很是差。可是，在較高的協議層對物理地址進行編碼又會破壞TCP/IP模塊化帶來的靈活性，由於模塊化要求上層協議與物理細節無關。TCP使用地址解析協議ARP和逆向地址解析協議RARP把ip地址關聯到網絡適配器的物理地址。ARP和RARP爲用戶提供的邏輯ip地址與局域網上使用的硬件地址創建了一個對應關係。

以太網

以太網軟件使用的地址並非邏輯ip地址，但這個地址在網際層的接口上與IP地址有映射關係。在典型的以太網上，所有計算機共享同一個傳輸介質。以太網使用稱爲載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA/CD的方法，來判斷計算機什麼時候能夠把數據發送到訪問介質。經過使用CSMA/CD，全部計算機都監聽傳輸介質的狀態，在傳輸以前等待線路空閒。若是兩臺計算機嘗試同時發送數據，就會發生衝突，計算機就會中止發送，等待一個隨機的時間間隔，而後再次嘗試發送。

CSMA/CD能夠比喻爲一個有不少人的房間。若是有人想說話，首先要確認目前是否有人在說話（這就是載波偵聽）。若是兩個同時開始講話，他們都會發現這個問題，從而中止講話，等待一段時間再開始講話（這就是衝突檢測）。

傳統以太網在中低負載狀況下運行良好，但在大負載的狀況下會因爲衝突的增多而影響性能。在現代以太網中，像網絡交換機這樣的設備會對流量進行管理，減小衝突的發生，從而讓以太網的運行更具效率。

剖析以太網幀

網絡訪問層的軟件從網際層接收數據報，把它轉化符合物理網絡規範的形式。在以太網中，網絡訪問層的軟件必須把數據轉化成可以經過網絡適配器硬件進行傳輸的形式。

當以太網軟件從網際層接收到數據報以後，執行如下操做：

1. 根據須要把網絡層的數據分解成較小的塊，以符合以太網幀數據段的要求。
2. 把數據塊打包成幀。每一幀都包含數據及其餘信息，這些信息是以太網網絡適配器所須要的。IEEE802.3以太網幀包含如下內容。
   • 前導碼：表示幀起始的一系列比特（一共8字節，最後一個字節是幀起始符）
   • 目標地址：接受幀的網絡適配器的6字節物理地址
   • 源地址：發送幀的內容適配器的6字節物理地址
   • 可選的VLAN標記：16比特字段，其目的是容許多個虛擬LAN經過同一個網絡交換機運行
   • 長度：兩個字節，表示數據段的長度
   • 數據：幀中傳輸的數據
   • 幀校驗序列（FCS）：幀的4字節校驗和。FCS是校驗數據傳輸的常見方式。發送方計算幀的循環冗餘碼校驗CRC值（檢驗數據幀中的數據有沒有被破壞的校驗和），把這個值寫到幀裏。接受放計算機從新計算CRC,與FCS字段的值進行比較，若是兩個值不相同，就表示傳輸過程當中發生了數據丟失或改變，這時就須要從新傳輸這一幀了。
3. 把數據幀傳遞給對應於OSI模型物理層的底層組件，後者把幀轉換爲比特流，而且經過傳輸介質發送出去