（OSI 模型中，不同层次的协议实现）

调制解调器（modem）
通俗地说，“调制解调器”就是用来翻译“数字信号 ＆ 模拟信号”。
在发送信息时，modem 把电脑要发送的“字节流”（数字信号）翻译成“模拟信号”，然后通过物理介质发送出去；当它从物理介质收到“模拟信号”，再翻译成“数字信号”，传回给电脑。
早期的拨号上网，modem 面对的物理介质是“固话线路”；如今家庭宽带普及，光纤入户，modem 面对的物理介质是“光纤线路”。

（老式 modem，用于固定电话线路）

中继器（repeater）
信号在物理介质中传输，会出现【衰减】（不论是“有线 or 无线”都有可能衰减）。“中继器”的作用是【信号增益】，使得信号能传得更远。
另外，比如“微波通讯”是直线传播，而地球表面有弧度，还有地形的起伏。所以每隔一定距离要建“微波塔”。这玩意儿也相当于“中继器”。

（微波塔示意图）

集线器（hub）
可以把“集线器”视作更牛逼的“中继器”——“中继器”只有两个口（只能连接两个通讯端点），而“集线器”有多个口（同时连接多个通讯端点）。
通常所说的“集线器”是指“以太网集线器”。这种设备如今已经逐步淘汰，很少见到了。

另外，很多同学应该都用过“USB hub”，就是针对 USB 线的“集线器”（“USB 线”也可以视作某种通讯介质）。

（老式的10兆以太网集线器）

对信息的打包
物理层传输的信息，通俗地说就是【比特流】（也就是一长串比特）。但是对于计算机来说，“比特流”太低级啦，处理起来极不方便。“链路层”要*第一个事情，就是把“比特流”打包成更大的一坨，以方便更上层的协议进行处理。在 OSI 模型中，链路层的一坨，称之为“帧”（frame）。

差错控制
物理介质的传输，可能受到环境的影响。这种影响不仅仅体现为“噪声”，有时候会出现严重的干扰，导致物理层传输的“比特流”出错（某个比特“从0变1”或“从1变0”）。因此，链路层还需要负责检查物理层的传输是否出错。在 IT 行话中，检测是否出错，称之为“差错控制机制”（后面有一个小节会简单说一下这个话题）。

流量控制
假设两个端点通过同一个物理信道进行通讯，这两个端点处理信息的速度可能不同。如果发送方输出信息的速度超过接收方处理信息的速度，通讯就会出问题。于是就需要有某种机制来协调，确保发送方的发送速度不会超出接收方的处理速度。在技术行话中，这称之为“流量控制”，简称“流控”。

信道复用
在上一个章节已经讲到：用于远距离通讯的“物理介质”，总是有成本。因此需要对物理信道进行“多路复用”，就会导致多个端点共用同一个物理信道。如果同时存在多个发送者和多个接收者。接收者如何知道某个信息是发给自己而不是别人？
另外，某些物理介质可能不支持并发（无法同时发送信息）。某些物理介质可能是【半双工】，所有这些物理层的限制，都使得“多路复用”变得复杂。为了解决这些问题，链路层需要提供了某种相应的机制（协议），术语叫做“介质访问控制”（洋文是“Media Access Control”，简称 MAC）。后续小节会聊它。

为了发现传输的信息是否出错，设计了很多相应的数学算法。这些算法大体分为两类：“检错算法 ＆ 纠错算法”。
简而言之，“检错算法”只能检测出错误，而“纠错算法”不但能检测出错误，还能纠正错误。很显然，“纠错算法”更牛逼，但是它也更复杂。
常见的“检错算法”对传输的数据计算出一个【校验值】，接收方收到数据会重新计算校验和，如果算出来不对，就把收到的数据丢弃，让对方重发。“校验算法”的原理类似于《扫盲文件完整性校验——关于散列值和数字签名》一文中提到的“散列算法/哈希算法”。
“纠错算法”更高级，由于涉及到更多数学，我就不展开啦。
对于【无线】物理信道，由于出错的概率更高，并且重新传输数据的成本也更高。所以【无线】通讯的链路层协议，更倾向于用【纠错】机制；作为对比，【有线】通讯的链路层协议，更倾向于用【检错】机制。

“MAC 协议”用来确保对下层物理介质的使用，不会出现冲突。为了形象，我拿“铁路系统”来比喻，说明“MAC 协议”的用途。
假设有一条【单轨】铁路连接 A/B 两地。有很多火车想从 A 开到 B，同时还有很多火车想从 B 开到 A。
首先，要确保不发生撞车（如果已经有车在 A 开往 B 的途中，那么 B 就不能再发车）；其次，即使是同一个方向的车，出发时间也要错开一个时间间隔。
所有这些协调工作，都是靠“MAC 协议”来搞定。

为了完成上述任务，光有“MAC 协议”还不够，还需要为每一个端点引入【惟一的】标识。这个标识就称作“MAC 地址”。
通俗地说，每个网卡都内置了一个“MAC 地址”。这个地址是网卡在出厂的时候就已经设置好的，并且用某种机制确保该地址【全球唯一】。

如何保证 MAC 地址全球唯一捏？简单说一下：
MAC 地址包含6个字节（48个比特），分为两半。第一部分称作【OUI】，OUI 的24个比特中，其中2个比特有特殊含义，其它22个比特，用来作为网卡厂商的唯一编号。这个编号由国际组织 IEEE 统一分配。
MAC 地址第二部分的24比特，由网卡厂商自己决定如何分配。每个厂商只要确保自己生产的网卡，后面这24比特是唯一的，就行啦。

（MAC 地址的构成） 顺便说说【虚拟网卡】的 MAC 地址。
“虚拟网卡”是由【虚拟化软件】创建滴。IEEE 也给每个虚拟化软件的厂商（含开源社区）分配了唯一的 OUI。因此，虚拟化软件在创建“虚拟网卡”时，会使用自己的 OUI 生成前面24个比特；后面的24比特，会采用某种算法使之尽可能【随机化】。由于“2的24次方”很大（224 = 16777216），碰巧一样的概率很低。
（注：如果手工修改 MAC 地址，故意把两块网卡的 MAC 地址搞成一样，那确实就做不到唯一性了。并且会导致链路层的通讯出问题）

链路层的协议主要有如下：
MAC 协议（介质访问控制）
LLC 协议（逻辑链路控制）
ARP 协议（解析 MAC 地址）
IEEE 802.3（以太网）
IEEE 802.11 的一部分（Wi-Fi）
L2TP 协议（2层VPN）
PPP 协议（拨号上网）
SLIP 协议（拨号上网）
……
（考虑到篇幅）我不可能具体细聊这些协议，只是贴出每个的XX百科链接，感兴趣的同学自己点进去看。

对于电脑主机（含移动设备），“网卡硬件 ＆ 网卡驱动”会包含链路层协议的实现（参见如下示意图）。
另外，还有一些专门的【2层】网络设备，也提供链路层的功能（参见下一个小节）。

（OSI 模型中，不同层次的协议实现）

网络交换机（network switch）
（注：一般提到“网络交换机”，如果不加定语，指的就是“2层交换机”；此外还有更高层的交换机，在后续章节介绍）
为啥要有交换机捏？我拿“以太网的发展史”来说事儿。
以太网刚诞生的时候，称之为“经典以太网”，电脑是通过【集线器】相连。“集线器”前面提到过，工作在【1层】（物理层），并不理解链路层的协议。因此，集线器的原理是【广播】模式——它从某个网线接口收到的数据，会复制 N 份，发送到其它【每个】网线接口。假设有4台电脑（A、B、C、D）都连在集线器上，A 发数据给 B，其实 C ＆ D 也都收到 A 发出的数据。显然，这种工作模式很（低效）。由于“经典以太网”的工作模式才“10兆”，所以集线器虽然低效，还能忍受。
后来要发展“百兆以太网”，再用这种傻SB的广播模式，就不能忍啦。于是“经典以太网”就发展为“交换式以太网”。用【交换机】代替“集线器”。
交换机是工作在2层（链路层）的设备，能够理解链路层协议。当交换机从某个网线接口收到一份数据（链路层的“帧”），它可以识别出“链路帧”里面包含的目标地址（接收方的 MAC 地址），然后只把这份数据转发给“目标 MAC 地址相关的网线接口”。
由于交换机能识别2层协议，它不光比集线器的性能高，而且功能也强得多。比如（稍微高级点的）交换机可以实现“MAC 地址过滤、VLAN、QoS”等多种额外功能。

网桥/桥接器（network bridge）
“交换机”通常用来连接【同一种】网络的设备。有时候，需要让两台不同网络类型的电脑相连，就会用到【网桥】。
下面以“操作系统虚拟机”来举例（完全没用过虚拟机的同学，请跳过这个举例）。
在这篇博文，我介绍了虚拟机的几种“网卡模式”，其中有一种模式叫做【bridge 模式】。一旦设置了这种模式，Guest OS 的虚拟网卡，对于 Host OS 所在的外部网络，是【双向】可见滴。也就是说，物理主机所在的外部网络，也可以看见这块虚拟网卡。
现在，假设你的物理电脑（Host OS）只安装了【无线网卡】（WiFi），而虚拟化软件给 Guest OS 配置的通常是【以太网卡】。显然，这是两种【不同】的网络。为啥 Guest OS 的以太网卡设置为“bridge 模式”之后，外部 WiFi 网络可以看到它捏？
奥妙在于——虚拟化软件在内部悄悄地帮你实现了一个“网桥”。这个网桥把“Host OS 的 WiFi 网卡”与“Guest OS 的以太网卡”关联起来。WiFi 网卡收到了链路层数据之后，如果接收方的 MAC 地址对应的是 Guest OS，网桥会把这份数据丢给 Guest OS 的网卡。
这种网卡模式之所以称作“bridge 模式”，原因就在于此。

嗅探抓包工具（Sniffer）
要了解链路层的数据包结构，需要用到“嗅探工具”。这类工具能捕获流经你网卡的所有【链路层】数据包。前面聊“协议栈”的时候说过：下层数据包的载荷就是上层数据包的整体。因此，拿到【链路层】数据包也就意味着：你已经拿到2层之上的所有数据包的信息了。
有些抓包工具自带图形界面，可以直接显示数据包的内容给你看。还有些只提供命令行（只是把获取的数据包保存为文件），然后要搭配其它图形化的工具来展示数据包的内容。
抓包的工具有很多，名气最大的是 Wireshark（原先叫做 Ethereal）。

ARP 命令
首先，ARP 是“MAC 地址解析协议”的洋文名称。该协议根据“IP 地址”解析“MAC 地址”。
Windows 自带一个同名的 arp 命令，可以用来诊断与“MAC 地址”相关的信息。比如：列出当前子网中其它主机的 IP 地址以及对应的 MAC 地址。这个命令在 Linux ＆ Mac OS 上也有。

路由机制（routing）
在 OSI 模型中，链路层本身【不】提供路由功能。你可以通俗地理解为：链路层只处理【直接相连】的两个端点（注：这么说不完全严密，只是帮助外行理解）
对于某个复杂网络，可能有很多端点，有很复杂的拓扑结构。当拓扑足够复杂，总有一些端点之间【没有直连】。那么，如何在这些【没有直连】的端点之间建立通讯捏？此时就需要提供某种机制，让其它端点帮忙转发数据。这就需要引入“路由机制”。
为了避免把“链路层”搞得太复杂，路由机制放到“链路层”之上来实现，也就是“网络层”。

基于【路由】的地址编码方式
链路层已经提供了某种全球唯一的地址编码方式（MAC 地址）。但“MAC 地址”有如下几个问题：
其一，它是固定的（虽然可以用技术手段去修改 MAC 地址，但很少这么干）
其二，MAC 地址的编码是基于【厂商】，无法体现网络拓扑结构。或者说，“MAC 地址”对于“路由机制”是不够友好滴。
因此，需要引入一种更抽象（更高层）的地址，也就是“网络层地址”。咱们常说的“IP 地址”，是“网络层地址”的实现方式之一。

为了帮你理解，举个例子：
每个人都有身份证号（这就类似于“MAC 地址”）。当某人加入了某个公司，公司会为此人再分配一个“员工号”（这就类似于“网络地址”）。既然有身份证号，为啥公司还要另搞一套“员工编号”捏？因为“员工编号”有额外的好处。比如说：可以把员工号划分为不同的区间，对应不同的部门。这样一来，只要看到员工号，就知道此人来自哪个部门。
类似道理，每个网卡都有自己固定的 MAC 地址，当这个网卡接入到不同的网络，每次都可以再分配不同的“网络地址”。通过“网络地址”可以看出这个网卡属于哪个网络（对路由比较方便）。

网际互联（internetwork）
引入“网络层”的另一个目的是：屏蔽不同类型的网络之间的差异，从而有利于【网际互联】（也就是建立“网络的网络”）。
一般来说，要想联通【异种】网络，就要求每个网络中都有一台主机充当【网关】（gateway）。【网关】起到“中介/翻译”的作用——帮不同的网络翻译协议，使得不同的网络可以互相联通。
假设【没有】统一的网络层，网关的工作就很难做。就好比说：如果全球没有某种通用的自然语言，就需要培养非常多不同类型的翻译人才（假设有30种主要语言，任意两种互译，就需要几百种不同的翻译人才）。
反之，如果有了某种统一的网络层标准，问题就好办多了（还是假设有30种主要语言，只要选定某种作为通用语，然后培养29种翻译人才，就可以实现任意两种语言互译）。
如今的互联网时代，【IP 协议】就是那个充当统一标准的网络层协议。

网络的拓扑结构有很多种，有简单的，有复杂的。一般来说，再复杂的拓扑，也可以逐步分解为若干简单拓扑的组合。
对拓扑的研究，有专门一个数学分支（拓扑学）。考虑到本文只是扫盲，我不可能再去聊“拓扑学”。因此，只挑几种简单的拓扑结构，让大伙儿有个直观的印象。

（常见的网状拓扑结构：星形拓扑、环形拓扑、总线拓扑、网状拓扑等等）

如今的互联网，整体的拓扑结构超级复杂。但还是可以逐步分解为上述几种基本的拓扑结构。

（互联网的复杂拓扑，右下角是图中某个小点的放大。

为节省大伙儿的”学习”流量，我贴的是缩小图。

从上面那张图可以看出：互联网拓扑的【局部】有很多是“星形拓扑”（当然也有其它的）。但从【宏观】上看，更像是“网状拓扑”。
在现实生活中，对于复杂结构，通常都会采用“树状层次结构”，以便于管理。比如：域名系统、公司组织结构、官僚系统 …… 那为啥互联网的【宏观】拓扑结构是“网状”捏？这就要说到互联网的历史。

在上世纪50年代（冷战高峰期），漂亮国军方的指挥系统高度依赖于电信公司提供的电话网络。当时的电话网络大致如下——
在基层，每个地区有电话交换局，每一部电话都连入当地的交换局。
在全国，设有若干个长途局，每个交换局都接入某个特定的长途局（不同地区的交换局通过长途局中转）。
简而言之，当时漂亮国的电话网络是典型的【多级星形拓扑】。这种拓扑的优点是：简单、高效、便于管理；但缺点是：健壮性很差。从这个案例中，大伙儿可以再次体会到“效率”与“健壮性”之间的矛盾。
话说1957年的时候，苏联成功试射第一颗洲际弹道导弹（ICBM），漂亮国军方开始担心：一旦苏联先用洲际导弹攻击美国，只要把少数几个长途局轰掉，军方的指挥系统就会瘫痪。也就是说，“长途局”已经成为美国军方的【单点故障】（何为“单点故障”？参见这篇博文）。
1960年，美国国防部找来大名鼎鼎的兰德公司进行咨询，要求提供一个应对核打击的方案。该公司的研究员 Paul Baran 设计了一个方案，把“星形拓扑”改为【网状拓扑】。采用【网状拓扑】的好处在于：即使发生全面核大战，大量骨干节点被摧毁，整个网络也不会被分隔成几个孤岛，军方的指挥系统依然能正常运作。