面试题：网络编程：简述TCP/IP协议栈中物理层与数据链路层的主要功能及相互关系

Question

请详细阐述TCP/IP协议栈里物理层和数据链路层各自承担的主要功能是什么，并且说明这两层之间是如何相互协作，共同完成数据传输的基础工作的。

Answer 1

物理层主要功能

1. 信号传输：负责将数据转换为物理信号（如电信号、光信号、无线信号等），并通过物理介质（如网线、光纤、无线频段等）进行传输。例如在以太网中，将数字信号编码成特定的电信号模式在双绞线上传输。
2. 物理介质管理：处理与物理介质相关的特性，包括介质的电气特性（如电压、阻抗等）、机械特性（如接口形状、引脚数量等）、功能特性（各引脚的功能定义）和规程特性（信号的时序关系等）。比如RJ45接口的网线，其物理层定义了接口的形状、引脚排列以及信号传输的电气规范。

数据链路层主要功能

1. 成帧：将来自网络层的数据包封装成帧（Frame）。帧包含头部和尾部，头部包含目的MAC地址、源MAC地址等控制信息，尾部包含差错检测字段（如CRC校验码）。例如以太网帧，它规定了帧的最大和最小长度，以及各字段的格式和含义。
2. 差错控制：通过在帧尾部添加差错检测码（如CRC），接收方可以检测传输过程中是否发生错误。如果检测到错误，数据链路层会根据具体的协议机制，如自动重传请求（ARQ），通知发送方重传错误的帧，以确保数据的准确性。
3. 介质访问控制：当多个设备共享同一物理介质时，数据链路层负责协调设备对介质的访问。例如在以太网中，采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）机制，设备在发送数据前先监听介质是否空闲，若空闲则发送数据，同时监测是否发生冲突，若发生冲突则停止发送并等待随机时间后重发。

两层协作过程

1. 发送端协作：网络层将数据包传递给数据链路层，数据链路层按照特定的协议格式将数据包封装成帧，添加MAC地址等控制信息以及CRC校验码。完成封装后，数据链路层将帧传递给物理层。物理层把帧转换为物理信号，并通过物理介质发送出去。例如在局域网环境下，主机要发送数据到另一台主机，网络层将IP数据包交给数据链路层，数据链路层封装成以太网帧，再由物理层将其转换为电信号在网线上传输。
2. 接收端协作：物理层接收到物理信号后，将其转换为数字信号，并传递给数据链路层。数据链路层根据帧的格式对信号进行解析，提取出帧中的控制信息和数据部分，并通过CRC校验检测帧的正确性。若校验通过，数据链路层去除帧头和帧尾，将数据包传递给网络层。若校验失败，数据链路层根据协议要求处理错误，如丢弃该帧并通知发送方重传。例如接收主机的物理层从网线上接收到电信号，转换为数字信号给数据链路层，数据链路层检查以太网帧的正确性，若正确则将IP数据包交给网络层处理。