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网络协议的重要性与应用:理解进程间通信和网络分层结构(下)

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努力的小雨
发布2023-11-28 09:28:52
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发布2023-11-28 09:28:52
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引言

在之前的章节中,我们重点介绍了TCP/IP网络模型的应用层、传输层和网络层,强调了它们的重要性。现在,我们将继续讨论下一个主题:数据链路层和物理层。这两个层级是网络通信中至关重要的一部分,它们负责处理实际的数据传输和物理连接。请继续阅读,我们将深入解析这些层级的功能和作用。

数据链路层

在实际场景中,网络并非一个统一的整体。例如,你家和我家不属于同一个网络,因此数据不仅可以在同一网络中的设备之间传输,还可以跨越不同网络进行传输。

当数据需要跨越网络传输时,就需要一个设备同时存在于两个网络中。这个设备通常是路由器,它可以通过路由表计算出下一个要传输到的IP地址。

然而,这里就会出现一个问题:路由器如何知道目标IP地址所对应的设备是哪一个呢?

为了解决这个问题,需要引入一个专门的层级来标识网络中的设备,并在链路上进行数据传输。这就是数据链路层(Data Link Layer),它的主要作用是为网络层提供链路级别的传输服务。

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每一台设备的网卡都会有一个唯一的MAC地址,用于标识设备的身份。当路由器计算出下一个目的地的IP地址后,通过ARP协议查询目的地的MAC地址,这样就知道这个 IP 地址是哪个设备的了。

在网络中,链路指的是相邻节点之间的物理线路,没有其他中间节点进行交换或处理。而数据链路是在链路上实现通信协议的硬件和软件的组合,它负责以帧为单位传输和处理数据

物理层

当数据需要从设备发送到网络时,需要将数据包转换为电信号,以便在物理介质中传输。这就是物理层(Physical Layer)的功能,主要为数据链路层提供二进制传输的服务。在ISO标准模型中,我们也提到了表示层会对数据进行转化,但是物理层是将数据转化为电信号,而表示层是对数据格式进行转化。

物理层关注如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

物理层屏蔽了不同传输媒体之间的差异,使得数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务,而无需考虑网络的具体传输媒体是什么。这样,物理层确保了数据链路层的独立性和通用性。

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物理媒介

网络传输是一种基于物理媒介的数据传输过程。当一个比特数据包从一个端系统开始传输时,它会经过一系列的链路和路由器,最终到达另一个端系统。在这个传输过程中,比特数据包会被转发多次,跨越不同的物理媒介。物理媒介可以是双绞铜线、同轴电缆、多模光纤、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱等多种类型。这些物理媒介可以被分为引导性媒介和非引导性媒介。引导性媒介是指需要通过实际的物理连接来传输数据,如双绞铜线和同轴电缆;而非引导性媒介则是指通过无线信号传输数据,如无线电频谱和光纤。通过这些物理媒介,网络传输能够实现高效的数据传输和通信。

双绞铜线

最便宜且最常用的引导性传输媒介是双绞铜线。多年来,双绞铜线一直被广泛应用于电话网络。事实上,超过99%的电话机到本地电话交换机的连线都是使用双绞铜线。这种传输媒介具有良好的传输性能和可靠性。下面是双绞铜线的实物图示例:

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双绞铜线由两根绝缘的铜线组成,每根大约1cm粗,以规则的螺旋形状排列。通常,许多双绞线会被捆扎在一起形成电缆,并在双绞线的外面套上保护层。每对电缆构成了一个通信链路。无屏蔽双绞线通常被广泛应用于局域网(LAN)中,它具有良好的抗干扰能力和较高的传输速率。这种传输媒介可支持高速数据传输和网络通信,适用于各种应用场景,如办公室、学校和家庭网络。通过使用无屏蔽双绞线,我们能够实现可靠且高效的局域网连接。

同轴电缆

同轴电缆是由两个铜导体组成,类似于双绞线。它具有特殊的绝缘体和保护层,能够实现较高的传输速率。同轴电缆广泛应用于电缆电视系统中,常被用作用户引导型共享媒介。以下是同轴电缆的实物图:

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光纤

光纤是一种细而柔软的媒介,能够引导光脉冲传输数据,每个脉冲代表一个比特。光纤具有极高的传输速率,可以达到数十甚至数百Gbps。它们不受电磁干扰的影响。光纤是一种引导型物理媒介,以下是光纤的实物图:

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长途电话网络广泛采用光纤技术,光纤也被广泛应用于互联网的主干网络。

陆地无线电信道

它在电磁频谱中传输信号,无需物理线路,能够穿透墙壁,提供与移动用户的连接,并且可以远距离传输信号。

卫星无线电信道

通过卫星电信道,地面站之间的两个或多个微波发射器/接收器可以相互连接。通常使用两种类型的卫星:同步卫星和近地卫星。

总结

在本文中,我们介绍了数据链路层和物理层在网络通信中的作用和功能。

数据链路层主要负责为网络层提供链路级别的传输服务,通过MAC地址标识网络中的设备,并在链路上进行数据传输。它使用ARP协议来查询目的地的MAC地址,以确定目标设备。

物理层负责将数据包转换为电信号,以便在物理媒介中传输。它屏蔽了不同传输媒介之间的差异,使得数据链路层只需考虑本层的协议和服务,而无需考虑具体的传输媒介是什么。

物理媒介可以是双绞铜线、同轴电缆、光纤、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱等。这些媒介可以被分为引导性媒介和非引导性媒介,用于实现高效的数据传输和通信。

通过了解数据链路层和物理层的作用和功能,我们可以更好地理解网络通信中的数据传输和连接过程。

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原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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