计算机网络 - 数据链路层

数据链路层

数据链路层基于物理层提供的数据传输，信道复用技术要实现局域网内的主机间通信，通常具备点对点和广播信道，即一对一和一对多通信方式。这两种信道分别使用PPP协议及CSMA/CD协议。该层需解决三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测。该层需要许多专有设备的支持，下文将一一阐述。

点对点信道通信

封装成帧： 数据链路层将网络层发下来的数据（如IP数据报）封装成数据单元（帧）发送到物理层链路上，如果数据超过链路层协议的最大传送单元MTU 才 切片。

透明传输： 由于封装的帧需要帧定界（特殊的一串字节），而数据中可能存在和帧定界一样的字节串，造成接收端错误的以为一个完整帧接收完毕，其实却是数据中存在和帧结束符一样的字节串。前辈们想出了字节（符）填充。即，但凡数据中存在和帧定界一样的字节串，就在该串前面插入一段转义字符，在接收端再去掉转义字符，使数据在链路层传输时不知道有帧的存在，像透明似的从网络层发送端到网络层接收端。

 

差错检测： 在物理层提及信号在信道中传输会出现失真的情况，为了防止数据在传输中出现错误，如0变成1,1变成0。在数据的末尾插入n位检验码FCS，链路层广泛使用的循环冗余检验CRC技术,接收端接收到数据进行校验，如果存在错误如帧丢失、帧重复、帧失序则分情况对待，有线传输链路则不理会，提交由上层协议（如运输层TCP协议）进行处理，无线传输则使用确认和重传机制。

    

PPP协议

PPP协议是主机与ISP进行通信时使用的数据链路层协议，除具备上诉点对点通信基本功能的补充外，还具备链路控制协议LCP和网络控制协议NCP

PPP协议工作状态

用户拨号接入ISP（建立物理连接）>>> 用户主机发送一系列链路控制协议LCP分组PPP帧 >>> 建立LCP连接 >>> 网络层配置 >>> 网络控制协议NCP给用户分配临时IP地址 ---------- 通信完毕 >>> NCP释放网络层连接，收回临时IP地址 >>> LCP释放数据链路连接 >>> 释放物理层连接

广播信道通信

广播通信即一对多通信，局域网使用的就是广播信道，局域网也称以太网

用户能够合理使用局域网的共享资源，有两种方法 

1. 静态划分信道： 即物理层频分复用，时分复用，波分和码分复用etc。这种划分代价太高，不适合局域网使用。

2. 动态媒体接入控制： 其特点就是信道不是固定分配的，又可以分为两类： 1. 随机接入，用户可以随机发送信息，但两个用户同时发送会发生碰撞。详见下文解决碰撞的协议  2. 受控接入，用户不能随机发送信息。有分散控制的令牌环局域网和多点线路探询（轮询）

适配器

俗称：网卡 NIC （Network Interface Card）

网卡横跨链路层和物理层，自备处理器和存储器（RAM，ROM），适配器ROM里存储着计算机硬件地址，即MAC地址，而计算机软件地址存储在计算机的存储器。由于计算机与适配器通信使用的事并行传输，所以适配器具备串并行转换功能。计算机总线上的速率比网络快，所以网卡有缓存芯片。由于现代计算机集成度高，所以很多网卡直接集成在主板上。

CSMA/CD协议

上文提及局域网动态接入的其中一种随机接入，即用户在局域网中可随时发信息，但存在一起发会占用信道，出现碰撞。CSMA/CD就有解决碰撞的协议规定，详细说明因果：当一用户发送信息时，另一用户同时发就会碰撞，所以协议规定，任一用户在发送信息 前/中 都必须载波监听信道上是否有用户在发送信息，没有才可以发送。如果在发送中发现有人在发送信息（由于用户A监听时，用户B发送的信息还在路上，A监听时以为没有用户发送信息），则停止发送信息，并发送人为干扰信号。继续监听，直到信道空闲了，再发送刚才发送失败的信息。

MAC

MAC地址又称为硬件地址或物理地址，是48位的全球地址（唯一），每一适配器出厂时都已经写入到ROM。

MAC帧

前同步码： 让适配器在接收MAC帧时能调整其时钟频率

类型： 表示上层使用的协议，如 IP协议

FCS： 效验码

拓展以太网

局域网都优势显而易见，因为信号间传输会失真，导致CSMA/CD协议无法识别。所以前辈就用光纤调制解调器来远距离传输，这样我们就可以组件更庞大的局域网。

同时问题也出现了，庞大的局域网就会出现更多的信号，也就会更多的碰撞，为解决该问题，前辈提出了网桥。网桥工作在链路层，根据MAC帧的目的地址对其进行转发和过滤 。 

但广播却是发给所有局域网用户的，所以如果局域网内出现许多广播，网桥无从过滤，也就是广播风暴。虽然存在该现象但以太网的优势还是明显的（虚拟局域网的提出，解决了广播风暴问题）。

为了能够即插即用不需要人工配置，又提出了透明网桥

用于探明最佳路由的源路由网桥，工作机制：广播发送发现帧，记录目的路由沿途所有路由信息，到达后返回，得出最佳路由。

多接口网桥（以太网交换机），交换机的概念已经模糊，现在许多交换机都具备了网桥和路由器功能，

高速以太网