第3章 网络访问层

第3章 网络访问层

协议和硬件

网络访问层是最神秘、最不统一的TCP/IP层，它管理为物理网络准备数据所必须的服务器与功能，包括：

• 与计算机网络适配器的链接
• 根据合适的访问方式调整数据传输
• 把数据转换为电子流或模拟脉冲的形式，以在传输介质上进行传输
• 对接收到的数据进行错误检查
• 给发送的数据添加错误检查信息，从而让接收端计算机可以对数据进行错误检查

网络访问层定义了与网络硬件交互和访问传输介质的过程。不幸的是，现实世界中存在着不少不一样类型的物理网络，它们都具备本身的规范，并且均可能做为网络访问层的底层。好在网络访问层对于平常用户来讲几乎是透明的。网络适配器与操做系统和协议软件的一些关键底层组件，管理与网络访问层相关的主要任务，用户只须要进行一些简单的配置步骤便可。而桌面操做系统不断完善的即插即用和自动配置特性进一步简化了这些步骤

网络访问层与OSI模型

TCP/IP网络访问层大体对应OSI的物理层和数据链路层。OSI的物理层负责把数据帧转换为适合于传输介质的比特流，也就是说，OSI物理层管理和同步实际传输的电子或模拟脉冲。在接收端，物理层把这些脉冲从新组合为数据帧

OSI数据链路层执行两个独立的任务，相应地划分为两个子层。

• 介质访问控制（MAC）:这个子层提供与网络适配器链接的接口。实际上，网络适配器驱动程序被称为MAC驱动，而网卡在工厂固化的硬件地址一般被称为MAC地址
• 逻辑链路控制（LLC）：这个子层对通过 子网传递的帧 进行 错误检查 ，而且管理子网上通讯设备之间的链路

网络体系

网络体系（好比以太网）具备一系列的规范来管理介质访问、物理寻址、计算机与传输介质的交互。网络体系包含对物理网络的定义，以及该物理网络上定义的通讯规范。这些规范包含如下几个方面。

• 访问方法：定义了计算机如何共享传输介质的一组规则。
• 数据帧格式：来自于网际层的IP级别的数据报以预约义的格式封装为数据帧，封装在包头上的数据必须提供在物理网络上传递数据所须要的信息
• 布线类型：网络所使用的线缆类型对于其余设计参数具备必定的影响，好比适配器传递的比特流的电子特性
• 布线规则：协议、线缆类型和传输的电子特性影响着线缆的最大和最小长度、电缆链接器的规范

像线缆类型和链接器类型这样的细节问题并非由网络访问层直接负责的，但为了设计网络访问层的软件组件，开发人员必须假定物理网络具备特定的性质。

最重要的是，网络访问层以上的协议层没必要关心硬件设计问题。TCP/IP协议栈的设计保证了与硬件交互相关的细节都发生在网络访问层，使得TCP/IP可以工做于多种不一样的传输介质

网络访问层包括以下一些网络体系。

• IEEE 802.3(以太网)：在大多数办公室和家庭使用的基于线缆的网络
• IEEE 802.11(无线网络)：在办公室、家庭和咖啡厅使用的无线网络技术
• IEEE 802.16(WiMAX)：用于移动通讯长距离无线链接的技术
• 点到点协议(PPP)：Modem经过电话线进行链接的技术

因为网络访问层封装了传输介质的细节，所以协议栈的上层能够独立于硬件进行操做

物理寻址

前面的章节讲到，网络访问层须要把逻辑IP地址与网络适配器的固定物理地址相关联。物理地址一般也被称为MAC地址，这是由于在OSI模型中，物理寻址是由介质访问控制（MAC）子层负责的。因为物理寻址系统是封装在网络访问层中的，因此地址能够根据网络体系规范采用不一样的形式。

通过局域网传递的数据帧必须使用这个物理地址来标识源适配器和目的适配器，但冗长的物理地址（以太网使用48比特意址）的可用性很是差。可是，在较高的协议层对物理地址进行编码又会破坏TCP/IP模块化带来的灵活性，由于模块化要求上层协议与物理细节无关。TCP使用地址解析协议ARP和逆向地址解析协议RARP把ip地址关联到网络适配器的物理地址。ARP和RARP为用户提供的逻辑ip地址与局域网上使用的硬件地址创建了一个对应关系。

以太网

以太网软件使用的地址并非逻辑ip地址，但这个地址在网际层的接口上与IP地址有映射关系。在典型的以太网上，所有计算机共享同一个传输介质。以太网使用称为载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD的方法，来判断计算机什么时候能够把数据发送到访问介质。经过使用CSMA/CD，全部计算机都监听传输介质的状态，在传输以前等待线路空闲。若是两台计算机尝试同时发送数据，就会发生冲突，计算机就会中止发送，等待一个随机的时间间隔，而后再次尝试发送。

CSMA/CD能够比喻为一个有不少人的房间。若是有人想说话，首先要确认目前是否有人在说话（这就是载波侦听）。若是两个同时开始讲话，他们都会发现这个问题，从而中止讲话，等待一段时间再开始讲话（这就是冲突检测）。

传统以太网在中低负载状况下运行良好，但在大负载的状况下会因为冲突的增多而影响性能。在现代以太网中，像网络交换机这样的设备会对流量进行管理，减小冲突的发生，从而让以太网的运行更具效率。

剖析以太网帧

网络访问层的软件从网际层接收数据报，把它转化符合物理网络规范的形式。在以太网中，网络访问层的软件必须把数据转化成可以经过网络适配器硬件进行传输的形式。

当以太网软件从网际层接收到数据报以后，执行如下操做：

1. 根据须要把网络层的数据分解成较小的块，以符合以太网帧数据段的要求。
2. 把数据块打包成帧。每一帧都包含数据及其余信息，这些信息是以太网网络适配器所须要的。IEEE802.3以太网帧包含如下内容。
   • 前导码：表示帧起始的一系列比特（一共8字节，最后一个字节是帧起始符）
   • 目标地址：接受帧的网络适配器的6字节物理地址
   • 源地址：发送帧的内容适配器的6字节物理地址
   • 可选的VLAN标记：16比特字段，其目的是容许多个虚拟LAN经过同一个网络交换机运行
   • 长度：两个字节，表示数据段的长度
   • 数据：帧中传输的数据
   • 帧校验序列（FCS）：帧的4字节校验和。FCS是校验数据传输的常见方式。发送方计算帧的循环冗余码校验CRC值（检验数据帧中的数据有没有被破坏的校验和），把这个值写到帧里。接受放计算机从新计算CRC,与FCS字段的值进行比较，若是两个值不相同，就表示传输过程当中发生了数据丢失或改变，这时就须要从新传输这一帧了。
3. 把数据帧传递给对应于OSI模型物理层的底层组件，后者把帧转换为比特流，而且经过传输介质发送出去