计算机网络数据链路层

Posted 2021-10-10 WeaterMr

概念

在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输 ，不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的
数据链路层把网络层交下来的数据（网络层的PDU是IP数据报或叫分组，包）构成帧发送到链路上，以及把接受到的帧中的数据取出来并上交给网络层

• 广播信道:CSMA/CD协议(比如同轴电缆、集线器等组成的网络)
• 点对点信道:PPP协议(比如2个路由器之间的信道)

数据链路层需要解决三个基本问题：

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错检验

封装成帧

封装成帧 (framing) 就是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

• 帧(Frame)的数据部分 ：网络层传递下来的数据包(IP数据包，Packet)
• 最大传输单元MTU(Maximum Transfer Unit) ：以太网的MTU为1500个字节
• 封装成帧目的：在互联网上传送的数据都以分组（IP数据报）为传送单位，而网络层的下一层是数据链路层，将分组加上首部和尾部就变成了帧。首部和尾部的一个重要作用就是帧定界（确定帧的界限），当然也包括一些重要的控制信息。
• 提高帧的传输效率：数据部分（IP数据报）尽可能地大于首部和尾部的长度。

透明传输

所谓的透明传输是指在数据链路层传送的数据，都能够按照原样没有差错的通过这个数据链路层。也就是相当于数据链路层对于这些数据是透明的。

• 使用SOH(Start Of Header)作为帧开始符
• 使用EOT(End Of Transmission)作为帧结束符
• 数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行转义
• 透明传输帧定界错误与冲突解决方案

解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。在控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC” (其十六进制编码是 1B)。接收端在送往网络层之前删除插入的转义字符。 如果转义字符也出现在数据当中，这时在转义字符前面在插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除前面的一个。

差错检测

这里所说的“差错”是“比特差错”，1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。 为了保证数据传输的可靠性，采用各种差错检测。

• 数据链路层帧，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。FCS是根据数据部分 + 首部计算得出的
• CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输(还需加入确认和重传的机制以防止帧丢失、帧重复和帧失序)。
• 仅用 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。
• FCS紧挨着帧结束符

CSMA/CD 协议

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio)

• 载波侦听多路访问/冲突检测

• 使用了CSMA/CD的网络可以称为是以太网(Ethernet)，它传输的是以太网帧

• 以太网帧的格式有:Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准 。使用最多的是:Ethernet V2标准

• 为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节

• 用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧

• 用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网

• 当数据部分的长度小于46字节时，数据链路层会在数据的后面加入字节填充，接收端会去掉。

• 以太网帧的数据长度:46-1500字节，以太网帧的长度:64~1518字节(目标MAC +源MAC + 网络类型 + 数据 + FCS)

PPP协议

• Address字段:图中的值是0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC、目标MAC地址
• Control字段:图中的值是0x03，目前没有什么作用
• Protocol字段:内部用到的协议类型
• 帧开始符、帧结束符:0x7E