一周学完计算机网络之三：1、数据链路层概述

简单的概述

数据链路层是计算机网络体系结构中的第二层，它在物理层提供的基本服务基础上，负责将数据从一个节点可靠地传输到相邻节点。可以将其想象成一个负责在两个相邻的网络设备之间进行数据 “搬运” 和 “整理” 的 “快递中转站”。

几个重要概念：

• 帧：封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。通俗的来说就是：网络层传递给数据链路层的数据，会被分割成大小不一的数据“包裹”，这个数据会被插入帧头和帧尾，构成数据帧。
• 帧头和帧尾：帧里面包括了目的地址，就是让目的主机通过帧的这个地址知道这个信息是发送给自己的。此外还包含标志位，比如PPP帧格式中就有标志位来进行帧的定界（两个帧之间的数据边界）。

• **帧定界：**如果帧头和帧尾的标志位，如何区分边界呢？比如以太网V2的MAC帧。

  • 以太网V2的MAC帧，会在帧中插入8个字节（64比特）的前导码，前导码由 7 个字节的前同步码和 1 个字节的即帧开始定界符，SFD组成，总共 8 个字节。它位于 MAC 帧的最前端，在物理层传输时，会先于目的地址、源地址等其他字段被发送出去。作用主要有二：

    • 时钟同步：以太网中数据的传输是基于时钟信号的，发送方按照自己的时钟节奏发送数据，接收方需要与发送方的时钟保持同步，才能准确地接收和解析数据。
    • 帧起始标识：最后的（SFD）作为帧开始定界符，用于标识 MAC 帧的正式开始。接收方在检测到 SFD 后，就知道接下来的比特流是一个 MAC 帧的数据部分，从而开始对帧进行解析和处理。

    

• 可靠传输：就是能够实现，发送方发的数据，和接收方接受的数据完全一样，不能有任何丢失或者错误。需要用到差错检测、确认与重传、序号与排序的技术手段。这种传输方法的成本会比较高。

  • 差错检测：发送方在数据中加入一些冗余信息，如校验和、循环冗余校验（CRC）码等。接收方通过对收到的数据进行相应的计算，来检查数据在传输过程中是否发生了错误。例如，若计算出的 CRC 码与收到的 CRC 码不一致，就知道数据出现了差错。
  • 确认与重传：接收方收到数据后，会向发送方发送确认信息（ACK），告知发送方数据已正确接收。如果发送方在一定时间内没有收到接收方的确认信息，或者收到了否定确认信息（NAK），就会认为数据传输出现了问题，然后重新发送数据。这种自动重传请求（ARQ）机制可以有效地解决数据丢失或出错的问题。
  • 序号与排序：为了保证数据的顺序性，发送方会给每个数据分组加上一个序号。接收方根据序号对收到的数据进行排序，将乱序的数据调整到正确的顺序后再提交给上层应用。

• 透明传输：用这种前导码的形式来区分帧，如果帧里面的数据和这个帧定界一样的时候，接收数据的时候，就会把这个数据误认为是帧定界来处理。容易引发误判。解决方法就是使用透明传输，实现方法就是如下方法：

  • 字节填充：当数据中出现与帧定界符相同的字节时，为了避免接收方将其误认为是帧的边界，发送方会在该字节前面插入一个转义字节。接收方收到数据后，会自动删除这个转义字节，恢复数据的原样。例如，下面这种情况：（ESC表示转义字符）

  

  ​ 但是有的时候，转义字符就是数据本身怎么搞，因此就在转义字符前面也加入一个转义字符。

  

  • 比特填充：在一些数据链路层协议中，如 HDLC 协议，采用比特填充的方式来实现透明传输。当数据中出现连续的若干个 1（通常是 5 个 1）时，发送方会在其后插入一个 0。接收方收到数据后，会自动删除这些插入的 0，从而保证数据的透明传输。

• 差错检测：检验码会被封装在帧尾，比如图片中的FCS就是。发送方把数据送到接收方以后，可以根据这个来判断是否有误码（就是本来是0变成1，本来是1变成了0）。

  • 奇偶校验：奇偶校验法是根据被传输数据中 “1” 的个数的奇偶性来进行校验的。具体来说，在发送数据时，会在数据后面添加一个奇偶校验位，使得整个数据（包括校验位）中 “1” 的个数为奇数或偶数。接收方收到数据后，会根据事先约定的奇偶性规则来检查 “1” 的个数，如果 “1” 的个数不符合约定的奇偶性，则认为数据在传输过程中出现了错误。

    缺点是，无法识别出偶数位的比特误码情况。而且只能检验，不能纠错。

  • 循环冗余校验CRC：CRC 的基本原理是将待传输的数据比特序列看作是一个多项式的系数，通过特定的生成多项式对这个多项式进行除法运算，得到的余数作为校验码附加在数据后面一起传输。接收方收到数据后，用同样的生成多项式对收到的数据进行除法运算，如果余数为零，则认为数据传输正确；否则，说明数据在传输过程中出现了错误。

  

1. 确定生成多项式：生成多项式是一个预先选定的二进制多项式，通常用 $G(x)$ 表示。不同的应用场景会使用不同的生成多项式，例如，在以太网中常用的生成多项式是 $G(x)=x^{32}+x^{26}+x^{23}+x^{22}+x^{16}+x^{12}+x^{11}+x^{10}+x^8+x^7+x^5+x^4+x^2+x+1$。
2. 在数据后面添加 n 个零：n 是生成多项式$ G(x)$ 的最高次数。例如，对于上述以太网中的生成多项式，$n=32$。假设待传输的数据为 $D(x)$，将 $D(x)$左移 n 位，即相当于在数据后面添加 n 个零，得到 $D(x)\times x^n$。
3. 进行模二除法：用 $D(x)\times x^n$ 除以生成多项式 $G(x)$，得到的余数 $R(x)$ 就是 CRC 校验码。这里的除法是模二除法，即采用异或运算进行减法，不考虑借位。
4. 附加校验码：将得到的 CRC 校验码 $R(x)$ 附加在原始数据 $D(x)$ 的后面，形成最终要传输的数据帧 $T(x)=D(x)\times x^n+R(x)$。