数据链路层——概述

链路是一条点对点的物理线路，中间没有任何其他交换站点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位。数据链路层给数据报加上帧头、帧尾、物理层地址和检验值。

1. 作用

屏蔽掉底层（物理层）的差错，从而为上层（网络层）提供良好的服务。

2. 数据链路层基本结构与基本模型：

数据链路层通信的基本步骤：
1. 节点A的数据链路层把网络层的IP数据报封装成帧。（封装成帧）
2. 节点A吧封装好的帧传递给节点B。（透明传输）
3. 节点B从帧中提取出数据包发送给网络层。（差错检验）

以太网的帧格式：

3. 三个基本问题

1. 封装成帧
   封装成帧就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，然后构成一个帧。封装成帧确定帧的界限。首部和尾部的作用就是进行帧定界。
   

2. 透明传输
   透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。
   若传输的数据是ASCII码中“可打印字符（共95个）”集时，一切正常。若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出现问题，SOH表示帧开始符，EOT表示帧结束符，如图所示：
   

   解决方法：

   • 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面加一个转义字符“ESC”（十六进制编码是1B）。
   • 字节填充或字符填充：接收端的数据链路层在将数据送往网络层前删除插入的转义字符。
   • 如果转义字符也出现在数据中，就在转义字符前也插入一个转义字符。当接收端收到连续两个转义字符时，就删除前一个转义字符。
     

3. 差错控制
   传输过程中可能产生比特差错：1可能变成0,0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例成为误码率BER（Bit Error Rate）。误码率与信噪比有很大关系。因此需要采用差错检测。

   在A向B发送数据的链路中间会经过多个路由器，路由器在数据链路层检测数据是否正确，如果错误就丢弃这个帧，以保证通过这个路由器传输过去的（不包括丢弃的）都是正确的帧。

   链路层只进行差错检验，不进行差错纠正，差错纠正由传输层进行，由传输层进行可靠传输。链路层丢弃错误的帧后，发送端长期得不到帧接收确认信息，就会重新发送一次该帧。

   循环冗余校验CRC

   1. 数据链路层传输中广泛使用了循环冗余校验CRC。

   2. 在发送端，先把数据划分为组，每组k个比特。
      假设待传送的一组数据M=101001（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。

      冗余码的计算：

      • 在二进制M后面添加n个0。假设n=3，则M变为（k+n）位的101 001 000.
      • 把（k+n）位的数除以事先选定好的长度为（n+1）位的除数P，得到商是Q，余数是R，R为n位，也就是M的CRC冗余校验码。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送过去。发送数据是 101 001 001，共（k+n）位。
        
        注：可以用生成多项式来表示循环冗余的除数，例如
        P(X)=X^3+X^2+1可以表示1101这个除数。

      在数据后面添加上的冗余码称为帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同：

      • CRC是一种常见的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
      • 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。

      CRC检测不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错，也不能保证如果出现错误就一定能检测出来（错误数据也可能得到正确的余数），但是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。

数据链路层使用的信道主要两种类型：

1）点对点信道：使用一对一的点对点通信方式。
2）广播信道：使用一对多的广播通信方式。由于连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

参考文献
http://www.jianshu.com/p/3dce189f0234
《计算机网络》第6版