重看计算机网络——数据链路层

自用记录，写的不是很详细。

数据链路层

数据链路层属于计算机网络的低层，使用的信道主要有以下两种类型：

（1）点对点信道：使用一对一的点对点通信方式，使用的协议是PPP协议

（2）广播信道：使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。采用的协议是以太网协议。

数据链路层解决的问题是：在同一个局域网中，分组怎样从一台主机传送到另一台主机，但并不经过路由器转发。

数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检验。

1、使用点对点信道的数据链路层

基本概念：

1. 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（无线或有线），而中间没有任何其他的交换结点。在进行数据通信时，两台计算机之间的通信路程往往要经过许多段这样的链路。链路只是一个路径的组成部分。
2. 数据链路：当需要在一条线路上传送数据时，除了必须要有一条物理线路外，还必须要有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。因此数据链路就是链路加通信协议。目前通过网络适配器来实现这些协议。
3. 帧：数据链路层的协议数据单元。数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。网络层的协议数据单元为IP数据报（简称为数据报、分组或包）。

帧  =  首部+IP数据报+尾部

点对点信道的数据链路层进行通信时的步骤为：

(1)结点A 将网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧

(2)结点A将帧发送给结点B的数据链路层

(3)若结点B收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧。

针对数据链路层的点对点通信的三个基本问题：封装成帧，透明传输和差错检验进行对应处理

(1)封装成帧

封装成帧就是在IP数据报前后加上首部和尾部，因此接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始与结束。

首部和尾部的作用为：帧定界，即确定帧的界限，此外首部和尾部还包括许多必要的控制信息。

首部为控制字符SOH，表示帧的开始，其ASCII码为0x01；尾部为控制字符EOT，其ASCII码为0x04，表示帧的结束。PPP帧中必须同时包括SOH和EOT，否则认为帧不完整，要被丢弃。

帧的组成：

帧开始符SOH + 数据部分 + 帧结束符EOT （其中数据部分有长度上限——最大传输单元MTU）

(2)透明传输

所谓透明传输，指的是无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层，因此对数据而言，这个数据链路层是无妨碍的，也就是透明的。

由于封装成帧时在首部和尾部加控制字符，控制字符决定了一个帧是否完整，如果在数据部分也出现控制字符SOH或EOT，那么会导致接收端错误判断帧的界限，把部分帧收下，而误以为收下的是完整的帧，而把剩下的数据丢弃。

因此规定，如果数据部分的二进制代码中出现SOH或EOT，就在前面加一个转义字符”ESC”，其ASCII码为1B。如果数据部分的二进制代码出现了转义符，那就在这个转义符前再加一个转义符。当接收端接收到帧时，就会把每次出现的第一个转义字符删除。以上的操作称为字符填充或字节填充。

(3)差错检测

比特差错：比特流在传输过程中可能会出现差错，比如0变成1，1变成0.实际的通信链路并非是理想的，比特差错不可避免，目前数据链路层广泛使用的差错检测方法为循环冗余检测（CRC）。

CRC原理：

       在发送端，首先会把数据划分为组，假定每组k个比特。比如现假定待传送的数据M=101001，即k=6。CRC会在数据M后加n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n）位。

       冗余码的获得：首先数据M乘2^n，相当于在M后补了n个0，然后设定一个除数P，P的位数为n+1位，这个P是发送端和接收端共同规定的，则有：

M*2nP=Q….R

       其中，Q为商，没有用，R为余数，R即为要获得的冗余码，称为FCS(帧检验序列)

       M和R进行拼接，就获得了最终PPP帧中的数据部分。

       而在接收端，收到这个帧后，获得数据部分，然后用数据部分的二进制码除以P，若余数为0，则说明没有差错，反之，有差错，这个帧被丢弃。

从上述描述可以发现，CRC只检测是否有差错，而不能知道差错在哪。

差错检测能确保接收端接收到的帧是无差错的，但不能保证数据链路层的可靠传输。因为差错检测只能解决最基本的比特差错，但无法检测帧的差错，比如帧丢失，帧重复和帧失序。

因此数据链路层的CRC检测只能保证无比特差错，但不能保证无传输差错。

对于实现数据链路层的可靠传输，以前的方式是在CRC的基础上增加帧编号、确认和重传机制。由于现在的通信线路的质量大大提高，由通信线路质量不好引起差错的概率大大降低，为了提高效率，互联网采用区别对待的方式：

1. 对于通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制。如果在数据链路层传输数据时出现差错，并需要改正时，就由上层（如TCP）来解决。
2. 对于通信质量较差的无线链路，数据链路层采用确认和重传机制。

PPP协议的帧格式：

（1）封装成帧

       首部四个字段:

       F:0x7E 定界符，表示帧开始或结束

       A：地址字段，默认0xFF，无实际意义

       C：控制字段，默认0x03，无实际意义

       协议：2个字节，表示数据部分属于上层的哪个协议

      

       数据部分：不超过1500字节

      

       尾部：FCS + F（7E）,即帧检验序列和定界符

（2）字节填充：解决透明传输问题

PPP协议使用异步传输时，将转义符定为0x7D,并使用字节填充。

1. 0x7E -> 0x7D,0x5E
2. 0x7d -> 0x7D,0x5D
3. 对ASCII码中数值小于0x20的字符，如0x03变为 0x7D,0x23

接收端会对填充后的字节进行反变换获得原始的字节

（3）零比特传输

同步传输时，每发现5个连续的1，就填入一个0，也是为了解决透明传输

PPP协议的工作状态：

PPP协议主要用于用户和ISP（互联网服务供应商）进行通信。

当用户拨号接入ISP，就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接，用户个人电脑向ISP发送一系列的的链路控制协议LCP分组（PPP帧的形式发送，控制LCP连接的参数），以便建立LCP连接，然后网络控制协议NCP给个人电脑发一个随机的IP地址，这样个人电脑就成为互联网上一个有IP的主机。用户通信完毕后，NCP释放网络层连接，收回分配的IP地址，然后释放数据链路层连接，最后释放物理层的连接。

2、使用广播信道的数据链路层

主要指局域网的数据链路层。局域网的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。优点：具有广播功能，便于系统扩展和逐渐演变，提高了系统的可靠性，可用性和生存性。

局域网拓扑结构：星形，环形和总线形。星形应用最广，因为有集线器和双绞线的大量应用。

局域网中应用最广泛的是以太网，特点是随机接入，所有的用户可随机地发送信息，但可能会发生碰撞。

计算机如何连接到局域网：通过适配器。

适配器，即网卡，装有处理器和存储器，计算机主板上嵌入适配器以实现和局域网的连接。适配器和局域网之间通过双绞线或电缆以串行传输方式进行，而与计算机之间是通过和主板的I/O接口以并行方式传输，因此适配器要实现串行传输和并行传输的转换，同时两者数据率不同，需要对数据进行缓存。计算机操作系统中也需要装相应的驱动来配合适配器。适配器的ROM中存放了计算机的硬件地址：MAC地址。

以太网使用的协议是CSMA/CD,意思是载波监听多点接入/碰撞检测，发送的数据采用曼彻斯特编码，特点是每一个码元分成两个相等的间隔，用电压的突变来表示0或1，1是前高后低，0是先低后高。

星形以太网特点：

（1）使用集线器。但由于集线器使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统依然像总现以太网。各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，同一时刻至多只允许一个站发送数据。

（2）一个集线器有多个接口，通过两对双绞线（一发一收）和计算机上的适配器相连。

（3）集线器工作在物理层，仅简单地转发比特，不进行碰撞检测，若两个接口发生碰撞，那所有接口都收不到正确的帧。

以太网帧（MAC帧）分类：

（1）单播帧，收到的帧中的MAC地址和本站的MAC地址相同。

（2）广播帧，MAC帧中的目的地址全为1，发送给局域网上的所有站点。

（3）多播帧，发给局域网上一部分的站点

MAC帧的格式：

（1）目的地地址：6个字节的MAC地址

（2）源地址：6个字节的源MAC地址

（3）类型：2字节，标志上一层使用的是什么协议

（4）数据：46到1500字节

（5）FCS:4个字节

除此以外，在MAC帧前加了8个字节，其中前7字节是前同步码，目的是让接收端适配器的时钟与到达比特流同步，还有一个字节是帧开始的定界符（其中该字节的前6位依然是同步码，最后两位11表示帧开始）

MAC帧大小最小为64字节：6+6+2+46+4，如果数据不够长，会自动填充，上层的IP协议会记录有用的数据字段的长度，以便接收端把填充字段去掉。

MAC帧没有结束的定界符，因为一是使用曼彻斯特编码，当数据字段未结束时，每一个码元会有一个电压突变，而数据字段结束时电平就不会突变，因此很容易得到数据字段结束的位置（电平不变位置往前4个字节）

二是不同帧之间有间隙。

由于以太网不需要使用帧结束的定界符，因此不需要用字节插入以保证透明传输。

在数据链路层对以太网进行扩展：使用第二层交换机。

结构:星形结构。

第二层交换机又称以太网交换机，是一个多借口的网桥，拥有自学习功能，在主机不断通信的过程中会逐渐记录下局域网中所有主机的MAC地址和相应的交换机接口。

由于不共享总线，也就没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，但帧结构依然是以太网的帧结构，所以仍然叫以太网。

Ps:使用集线器的星形拓扑以太网会发生碰撞，但使用交换机的不会。因为集线器的以太网在逻辑上仍是总线网，各站共享逻辑的总线，但交换机连接的主机，通信时是独占而不是和其他用户共享带宽，因此不会碰撞。集线器是无源器件，而交换机是有源器件。