计算机网络-数据链路层

数据链路层属于计算机网络的低层
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

• 点对点信道
• 广播信道

三个基本问题

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错检测

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。确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

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例子：用控制字符进行帧定界

当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。
控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束

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透明传输

透明传输，要做到无论什么样的数据都能通过

存在问题

如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”

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字节填充 / 字符填充

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”

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。

如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

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差错检测

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
误码率与信噪比有很大的关系。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施

循环冗余校验 CRC

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

发送端生成帧检验序列 FCS

• 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
• 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送
• 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
• 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
• 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去

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在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)

接收端 CRC检测

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
(2) 若余数 R != 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

无差错接受

凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错
可以认为凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受

在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输
要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

点对点协议 PPP

组成

• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
• 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
• 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

PPP 协议的帧格式

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PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
控制字段 C 通常置为 0x03。
PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节
利用字节填充来达到透明传输的目的

协议字段

• 若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报
• 若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据
• 若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据
• 若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
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

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PPP 协议不使用序号和确认机制的原因

• 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
• 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
• 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

PPP 协议的工作状态

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1. 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
2. PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3. 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，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。
4. 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。

PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网最主要的特点

• 网络为一个单位所拥有；
• 地理范围和站点数目均有限。

局域网主要优点

• 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
• 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
• 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

适配器

网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”

适配器的重要功能：

• 进行串行/并行转换。
• 对数据进行缓存。
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
• 实现以太网协议。

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以太网的MAC层

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帧类型

• 单播 (unicast) 帧（一对一）
• 广播 (broadcast) 帧（一对全体）
• 多播 (multicast) 帧（一对多）
• 混杂模式

MAC帧格式

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