数据链路层(DataLinkLayer)

在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧(Frame)在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这一层，数据的单位称为帧(frame)。数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、CSMA/CD协议，STP、帧中继等。

点对点信道数据链路层

链路： 指的是从一个结点到相邻的结点的一段的物理线路，中间没有任何其他的交换结点。
数据链路： 若把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器(网卡)来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能，数据链路层的协议单元是帧，网络层协议单元是IP数据报（简称数据报、分组或包）。

通信时的主要步骤

点对点信道通信的可以采用三层模型进行解析，在三层模型中，（主机和路由器之间或两个路由器之间）可以看作是点对点信道通信，而每一个结点都只有网络层，数据链路层和物理层。

三层简化模型：

数据链路层通信模型：

主要步骤：

1、结点A的数据链路层把网络层交互下来的IP数据报添加首部和尾部进行封装成帧。
2、结点A把封装好的数据帧发送给结点B的数据链路层。
3、如果结点B的数据链路层接收到的数据帧无差错，那么从收到的帧中提取出IP数据报提交到上面的网络层。否则丢弃。

三个基本问题

数据链路层的三个基本问题是封装成帧，透明传输和差错检测

封装成帧

指在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。为了提高帧的传输效率，希望数据部分远远大于首部和尾部之和。同时帧数据部分的长度不能超过MTU（链路层规定的帧数据部分的上限）。可以用控制字符进行帧定界。如下图所示：

封装成帧在数据传输的过程中用途很大，帧定界符的作用明显，假如说有一个数据帧在传输的过程中丢失了一部分的数据包，这个时候传输的过程中断，当恢复传输时，会从头开始发送刚刚因数据传输中断而丢失的数据帧，接收端就会接收到两个数据帧，因为使用了帧定界符，所以可以知道前面接收到的数据帧只有一个SOH定界符，不完整，所以需要丢弃。后面接收到的数据帧具有完整的两个帧定界符，可以确定数据完好无损。

透明传输

由于帧的开始和结束的标记使用专门指明的控制字符（SOH和EOT），因此，所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，否则就会出现帧定界的错误。如下图所示：

透明传输的含义： 无论数据部分是什么样的比特组合，链路都能将其正确地传输到接收方，接收方都能传输到正确的数据。
解决帧定界错误的方法： 字节填充法（字符填充法）：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 0x1B)。若ESC也出现在数据中，那么应在ESC前面再插入一个ESC。接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如图所示：

差错检测

数据在传输过程中可能会产生差错，为了保证数据传输的可靠性，在传输数据时必须采用几种差错检测措施。在链路层广泛使用循环冗余校验CRC。

循环冗余校验的基本概念：

信息码(M)： 实际要发送的数据
冗余码( R )： 附加在信息码后一起发送的，接收方用来校验收到的码字是否正确的码元。
生成码( P )： 用来生成冗余码的码元，而且其二进制位数比冗余码多一位。(通信双方事先规定好的)
生成多项式： 生成码的多项式表示形式。(举例说明)
发送的码字： 信息码+冗余码

冗余码的生成过程：

1、假设信息码M的二进制位数为k，生成码的二进制位数为(n+1)，将信息码乘以2^n，即将M后面加上n个连续的0，得到一个(k+n)位二进制数。
2、用这(k+n)位二进制数除以生成码P，商为Q，余数至少要比P少一位。
3、若余数比P少一位，即余数就是冗余码；若余数比P少的不止一位，则将余数前面加上若干个0使其二进制位数达到n位，这样就形成了冗余码。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验：

1、接收端把收到的每一个帧都除以生成码P，然后检查得到的余数R。
2、若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
3、若余数 R¹ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

帧校验序列FCS和CRC的比较：

1、CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在实际要发送数据后面的冗余码。
2、FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

点对点PPP协议

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。
PPP协议的特点： 既支持同步链路又支持异步链路。在通信线路质量较差的年代，在数据链路层使用可靠传输的协议是一种好办法。

PPP协议满足的需求

简单： 因为网际层的IP协议相对来说是比较简单的，它是提供不可靠的数据报服务的，因此数据链路层没有必要提供更多的功能给IP协议，所以数据链路层的数据帧不需要纠错，不需要序号，也不需要流量控制，简单是唯一的宗旨。

封装成帧： PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符（即标志一个数据帧的开始和结束的字符），以便接收端从收到的比特流中可以准确地找到帧的开始和结束的位置。

透明性： PPP协议必须保证数据传输的透明性，如果数据中出现了和帧定界符一样的比特组合，需要采用字节填充法（字符填充法）进行解决。

差错检测： PPP协议必须能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。若在数据链路层不进行差错检测，那么已出现差错的无用帧就还要在网络中继续向前转发，因而会白白浪费许多的网络资源。

检测连接状态： PPP协议必须具有一种机制能够及时（不超过几分钟）自动检测出链路是否处于正常工作状态。当出现故障的链路隔了一段时间后又重新恢复正常工作时，就特别需要有这种及时检测功能。

最大传送单元： PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值9。这样做是为了促进各种实现之间的互操作性。如果高层协议发送的分组过长并超过MTU的数值，PPP就要丢弃这样的帧，并返回差错。需要强调的是，MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度，而不是帧的总长度。

多种网络层协议： PPP协议毕业能够在同一条的物理链路上同时支持多种网络层的协议（比如说IP协议和IPX协议）的运行。当点对点的数据链路所连接的是局域网络或者路由器时，PPP协议必须支持在链路上所连接的局域网络或者是路由器上运行的各种网络层协议。

多种类型的链路： 除了要支持多种网络层的协议外，PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。例如，串行的（一次只发送一个比特）或并行的（一次并行地发送多个比特)，同步的或异步的，低速的或高速的，电的或光的，交换的（动态的）或非交换的（静态的）点对点链路。

网络层地址协商： PPP协议必须提供一种机制使通信的两个网络层（例如，两个IP层）的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。协商的算法应尽可能简单，并且能够在所有的情况下得出协商结果。这对拨号连接的链路特别重要，因为如果仅仅在链路层建立了连接而不知道对方网络层地址，则还不能够保证网络层可以传送分组。

数据压缩协商： PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。但 PPP协议并不要求将数据压缩算法进行标准化。

PPP协议不需要的功能： 纠错功能、流量控制、使用帧序号、支持多点线路、支持半双工或单工链路。

PPP协议的组成

PPP协议有三个组成部分：

1、一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶检验的8比特数据)，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。

2、一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(Link ControlProtocol)。通信的双方可协商一些选项。在RFC1661中定义了11种类型的LCP分组。

3、一套网络控制协议NCP (Network ControlProtocol)R，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet，以及AppleTalk 等。

PPP协议的帧格式

1、标志F： 标识一个帧的开始和结束（帧定界符），在首部中的地址字段A规定为0xFF（即1111 1111），控制字段C规定为0x03（即0000 0011）。
2、协议字段： 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报；若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据；若为 0x8021，则表示这是网络控制数据
3、信息字段： 长度可变，不超过1500字节。
4、帧校验序列FCS： 使用CRC的帧校验序列。

透明传输

当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充；当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

字符填充法

1、将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。其中0x7D是转义字符。

2、若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。

3、若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符(即数值小于 0x20 的字符)，则在该字符前面要加入一个 0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充法

在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1后的一个 0 删除。

举例：

PPP协议的工作过程

• 当用户拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户PC机到ISP的物理连接。
• PC 机向ISP发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧)，以便建立LCP连接，这些分组及其响应选择一些 PPP 参数。
• 接着进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
• 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。
• 接着，LCP 释放数据链路层连接。
• 最后释放的是物理层的连接。

局域网的数据链路层

局域网的拓扑结构

1. 星形网：任两台主机通信需借助中心节点（交换机、中继器）。采用星形拓扑的典型网络是以太网。
2. 总线网：多台主机共享一条总线。
3. 环形网：典型是令牌环网。
4. 树形网：两主机通信需要借助树根。

区别： 后三者采用的都是广播信道。

媒体共享技术

媒体共享技术分为静态划分信道技术和动态媒体接入控制。前者包括频分复用、时分复用、波分复用、码分复用；后者包括随机接入和受控接入。

以太网的两个标准

以太网的两个标准是DIX Ethernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。

数据链路层的两个子层

802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层和媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。MAC子层负责将0、1比特流组建成帧，并用CRC差错校验；LLC子层负责与网络层的通信。

适配器的作用

适配器本来是主机箱内插入的一块网络接口板，又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (NetworkInterface Card)，或简称“网卡”。

适配器的重要功能：

（1）进行串行/并行传输方式的转换。

（2）对数据进行缓存。

（3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

（4）实现以太网协议。

CSMA/CD协议

以太网将许多的计算机连接到一根总线上，因此采用的是广播信道，需要共享信道协议CSMA/CD协议控制主机间的数据发送。

基本原理

CSMA/CD是指载波监听多点接入/冲突检测。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上；“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞； “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

重要性质

在使用CSMA/CD协议时，一个站点不可能同时进行发送和接收。因此使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。

争用期

首先思考一个问题：最先发送数据帧的站点，在发送数据帧后至多经过多长时间就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

通过举例分析，得到结果2t，其中t是端到端的时延。以太网的端到端往返时延 2t称为争用期，或者碰撞窗口。经过争用期这段时间还没检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。

截断二进制指数退避算法

以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后数据重传的时机，这种算法让发生碰撞的站点在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即发送，而是要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据。具体的退避算法如下：

• 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。
• 定义参数 k，k £ 10，即k = Min[重传次数, 10]
• 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
• 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

最短有效帧长

对于10M以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即终止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。

强化碰撞

当发送数据的站一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了冲突。

总结

1、链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一-些必要的硬件（如网络适配器）和软件（如协议的实现)。

2、数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种。

3、数据链路层传送的协议数据单元是帧。数据链路层的三个基本问题则是：封装成帧、透明传输和差错检测。

4、循环冗余检验CRC是一种检错方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码。

5、点对点协议PPP是数据链路层使用最多的一种协议，它的特点是：简单；只检测差错，而不是纠正差错；不使用序号，也不进行流量控制;可同时支持多种网络层协议。

6、PPPoE是为宽带上网的主机使用的链路层协议。

7、局域网的优点是：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网；便于系统的扩展和逐渐演变；提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

8、共享通信媒体资源的方法有二:一是静态划分信道（各种复用技术)，二是动态媒体接入控制，又称为多点接入（随机接入或受控接入)。

9、IEEE 802委员会曾把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制(LLC)子层（与传输媒体无关）和媒体接入控制(MAC)子层（与传输媒体有关)。但现在LLC子层已成为历史。

10、计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器（或网络适配器)，计算机的硬件地址就是存放在适配器的ROM中。

11、以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做。

12、以太网采用的协议是具有冲突检测的载波监听多点接入CSMA/CD协议，协议的要点是：发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送，然后安装退避算法等待一段随机时间后再次进行发送。因此，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性，以太网上各个站点都平等地竞争以太网信道。

13、传统的总线以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网，但在逻辑上则是总线形网。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。

14、以太网的硬件地址，即 MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关，源地址和目的地址都是48位长。

15、以太网的适配器有过滤功能，它只接收单播帧、广播帧或多播帧。使用集线器可以在物理层扩展以太网（扩展后的以太网仍然是一个网络)。

16、交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机（工作在数据链路层)。它就是一个多接口的网桥，而每个接口都直接与某台单主机或另一个集线器相连，且工作在全双工方式。以太网交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。

17、高速以太网有100 Mbit/s的快速以太网、吉比特以太网和10 Gbit/s 的10吉比特以太网。最近还发展到100吉比特以太网。在宽带接入技术中，也常使用高速以太网进行接入。