在学习网络编程时，我们通常会关注内核网络协议栈的相关知识。然而，回到 OSI 七层模型的角度，数据链路层究竟是如何运作的呢？网线中的电信号是如何转化为网络数据帧和数据包的？本文将对此进行简要探讨。

电信号转变为帧的过程，是通过网络适配器（网卡）来完成的。网卡将物理层的比特流（0和1）按照协议要求，解析并组装成一个个帧。以下是详细解释和一个简单的例子：

比特流和帧的关系

比特流：电信号通过高低电压（或光纤的光开光关）形成一个连续的0和1。

  • 例如：1100110010101011。

帧：是数据链路层的传输单元，包含控制信息和实际数据的结构化包。

  • 帧的结构一般如下：
[帧头 | 数据载荷 | 帧尾]

电信号如何被解析

物理层的任务是接收比特流，将其同步并提供给数据链路层。以下步骤解释解析过程：

步骤1：比特流的物理传输，网卡从网线接收一段电信号，高电平表示1，低电平表示0。示例：1100110010101011。

步骤2：比特流同步，为了正确划分比特，网卡采用时钟信号来同步读取数据。每个比特会占用固定时间，比如1微秒，同步后的比特流：1100110010101011。

步骤3：比特流分组，根据协议定义，将比特流划分为帧。以太网帧的结构如下：

[前导码 | 帧头 | 数据 | 帧尾]
  • 前导码：用于同步通信，通常是7字节的10101010，紧接着是1字节的10101011。
  • 帧头（Header）：包含目标MAC地址、源MAC地址和帧类型。
  • 数据（Payload）：承载实际的数据（如IP包）。
  • 帧尾（FCS）：帧校验序列，用于检测传输错误。

案例

具体组装帧的例子，假设我们发送一个简单的数据 Hello，帧的比特流可能是：

  1. 前导码：用于接收方的同步。
  • 比特流：10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011。
  1. 帧头：
  • 目标MAC地址：00-14-22-01-23-45（转成二进制：00000000 00010100 00100010 00000001 00100011 01000101）。
  • 源MAC地址：00-16-17-22-33-44（转成二进制：00000000 00010110 00010111 00100010 00110011 01000100）。
  • 帧类型：0800（IPv4，转成二进制：00001000 00000000）。
  1. 数据部分：发送的实际内容，比如Hello：

  • H = 01001000

  • e = 01100101

  • l = 01101100

  • l = 01101100

  • o = 01101111

  1. 帧尾：
  • 帧校验序列（FCS）：一种基于CRC的校验码，例如：10101010 10100101。

完整帧：

[前导码] [目标MAC | 源MAC | 帧类型] [数据] [FCS]

对应比特流：

10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011 		# 前导码
00000000 00010100 00100010 00000001 00100011 01000101												# 帧头,目标MAC地址
00000000 00010110 00010111 00100010 00110011 01000100 											# 帧头,源MAC地址
00001000 00000000 																													# 帧类型
01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 												        #数据部分
10101010 10100101 																								          # 帧校验序列（FCS）

接收端如何处理帧

  1. 解码电信号：将高低电平转换成比特流。
  2. 校验帧完整性：根据FCS检查数据是否有错误。
  3. 解析帧内容：从帧中提取目标MAC地址，如果匹配本设备，继续处理。提取数据部分，将其交给上层（如网络层）。