数据链路层（计算机网络）

一、数据链路层的概述

1、为什么需要数据链路

物理层解决的问题：解决了相邻结点透明传输比特的问题

物理层没有解决的问题：

• 传输错误问题，发送端发送比特1，二而接收端接收到比特0，接收端无法知道是否正确；
• 谁接收的问题，多个设备连接，哪个设备能发送数据，哪个设备用于接收数据，谁负责处理数据；
• 传输结束问题，如何知道一组数据即将到达，这组数据何时结束。

注：

结点：主机、路由器

比特错误率一般为连续比特错误（外界干扰连续比特传输）离散比特错误不易检测

2、数据链路层的地位

 

3、数据链路层信道类型

 

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点信道方式，控制协议相对简单
• 广播信道：使用一对多的广播信道方式，通信过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享协议来协调这些主机的数据发送，控制协议相对复杂

4、数据链路层的基本术语

（1）链路（link）：结点间的物理通道。是一条无源点的点到点的物理线路段（双绞线、光纤等），中间没有任何其他交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。

（2）数据链路（data link）：是结点之间的逻辑通道。除了物理路线以外，还需要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：

数据链路+链路+协议

链路种通信双方的信道使用形式不同，会相应有不同的控制协议。

（3）帧（Frame）：链路层协议数据单元，封装网络的数据报。

（4）数据链路层：负责通过一条链路从一个结点向物理链路直接相连的相邻结点传送帧。

         数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节，甚至可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。

（5）数据链路的例子：

• 城市交通=街道+汽车交通规则
• 地铁交通=铁轨+火车运行规则

二、数据链路层的三个基本功能

1、封装成帧（framing）

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。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界，确定帧的界限。

最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit) ：规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。 

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。
• 控制字符 EOT (End Of Transmission) 放在一帧的末尾，表示帧的结束。

2、透明传输

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 ” 。

“在数据链路层透明传送数据”表示：无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

那么解决办法：

字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)：

•    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。

3、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。

 在数据链路层，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术：

•    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。

n 位冗余码的计算：

•   用二进制的模 2 运算进行 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。

CRC计算实例： 

 

4、CRC检验方法

•  若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
•  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。（即只能纠错）

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。

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

•    循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同：

• CRC 是一种常用的检错方法，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。

注：
•    仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受   (accept)：

•   “无差错接受 ”是指： “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”；
•  也就是说：  “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）。