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）
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。
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。
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：
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：
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：
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。