计算机网络-3-1-数据链路层基本概念计算机网络

数据链路层使用的信道主要有一下两种类型
点对点信道
这种信道使用一对一的点对点通信方式。
广播信道
这种信道主要是用一对多的广播通信方式。
局域网虽然是个网咯，但我们并不把局域网放到互联网上考虑。在本章中我们研究的是在同一个局域网中，分组怎样从一个主机传送到另一台主机，但并不经过路由器转发，从整个互联网上来看，局域网中仍然属于数据链路层的范围。
本章最主要的知识点

熟路链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道使用的协议PPP协议和CSMA/CD协议的特点
数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测。
以太网MAC层的硬件地址
适配器，转发器，集线器，网桥，以太网交换机的作用以及使用场合。

我们观察一下两台主机通过互联网进行通信时数据链路层所处的地位

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图3-1（a）表示主机H1通过电话线上网，中间经过三个路由器（R1,R2,R3)连接到远程主机H2，所经过的网络是多种的，如电话网，局域网，广域网等。当主机H1向主机H2发送数据时，从协议的层次上来看，数据流动如图3-2(b)所示，主机H1和主机H2都有完整的五层协议栈，单路由器在转发分组时使用的协议栈只有下面三层。数据进入路由器后要先从物理层上到网络层，在转发表中找到下一跳地址后，再下到物理层转发出去。当我们专注于研究数据链路层的问题时，我们可以这样研究：H1的链路层->R1的链路层->R2的链路层->R3的链路层->H2的链路层。
使用点对点信道的数据链路层数据链路和帧
链路指的是从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线）,而中间并没有任何其他的交换结点。在进行数据通信时，两台计算机之间的通信路径往往要经过很多段这样的链路。可见链路只是路径的一部分。
数据链路：当在一条线路上传输数据时，除了必须要有一条物理线路外，还必须要有一些必要的通信协议来控制数据的传输，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。现在最常用的就是网络适配器(既有软件，也有硬件)来实现这些协议。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
点对点信道的数据链路层的协议数据单元：帧：
数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。在网络层中，网络层协议数据单元就是IP数据报，也叫分组或者包。
数据链路层通信图
【计算机网络-3-1-数据链路层基本概念】

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点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下：

结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报文添加首部和尾部封装成帧。
结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
若结点B的数据链路层接收到的帧无差错则从接收到的帧提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。

三个基本问题:封装成帧，透明传输，差错检测封装成帧
封装成帧是在一段数据的前后分别加上首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在接收到物理层上交的比特流后，就能根据手部和尾部的标记，会从比特流中识别到帧的开始和帧的结束。如图就是一个添加帧首和帧尾封装成帧

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我们知道，分组交换的的一个重要概念就是：所有在互联网上传送的数据都是以IP数据报文为传送单位，网络层的IP数据报传送到数据链路层就成为了帧的数据部分。在帧的数据部分的前部和后部分别加上首部和尾部，就构成了一个完整的帧。这样的帧就是数据链路层的数据传送单元。
一个帧的长度等于数据部分的长度+帧首+帧尾的长度，首部和尾部的重要作用就是帧定界（确定帧的界限）。
在发送帧的时候，是从帧的首部开始送的。各种数据链路层协议都要对帧首部和帧尾部的格式都有明确的规定。为了提高帧的传输效率，应该使帧的数据部分尽可能的大于帧的首部和尾部的长度。但是呢，每一种数据链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限-----最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。如图给出了MTU与帧的数据部分和帧的首部和尾部的关系。

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帧首部使用SOH（start of head）十六进制编码01作为帧的开始控制字符，帧尾部使用EOT（end of transmission）十六进制编码04作为帧的结束控制字符。
透明传输
由于帧的开始和结束标记会用专门的控制字符，因此，所传输的数据中的任何8比特组合一定不允许使用作为帧定界的控制字符比特编码一样，否则会出现帧定界错误。
当传送的帧使用文本文件组成的时候(文本文件中的字符是从键盘上输入的)，其数据部分显然不会出现SOH和EOT这样的帧定界控制字符。不管在键盘上输入什么字符都可以放单帧上传输，因此这样的传输就是透明传输。
但是当数据部分并不是键盘上普通的ASCII码时候，而是例如像二进制代码或者图像，音乐等数据流时，情况就有可能变得不一样，如果数据中的某个字节的二进制比特刚好和帧定界符的控制字符SOH(01)或者EOT（04）重合，如图,数据链路层可能会错误的找到帧界定符。数据链路层会错误的找到帧定界符号，把部分帧接收下(误认为是个完整的帧)这样的错误传输情况显然并不是透明传输。

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为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符SOH，EOT在接收端不被解释为控制字符，具体的方法是：发送端的数据链路层如果在数据传输中出现SOH或者EOT，就在前面插入一个转义字符ESC（十六进制编码为1B），而且在接收端删除这个转义字符，这样的方法称之为字节填充或者是字符填充。，如果转义字符也出现在数据当中，那么解决办法仍然是在转义字符的前面再加上一个转义字符，因此，当接收端连续的接收到两个转义字符的时候，就删除前面其中一个。如图为用字节串书法解决透明传输问题：

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差错检测
现实中的通信链路都是不理想的。也就是说，比特在传输的过程当中，可能1会变成0,0或者变成1，这就叫做比特差错，在一段时间内，传输错误的比特总数占传输所有比特总数的比值，称之为误码率(BER),
误码率与信噪比有着很大的关系，如果设法提高信噪比，就可以使误码率减少。实际的通信链路并非是理想的，它不能使误码率降低到0，因此呢，在计算机网络传输数据的时候，必须采用各种校验，目前在数据链路层广泛的采用了CRC循环冗余检验的检错技术。下面我们通过一个简单的例子来说明CRC循环冗余检验的原理：

在发送端，先把数据划分为组，假设每组k个比特。先假设待传送的数据M=101001(k=6)，CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测使用的n为冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送(k+n)位。在所要发送的数据后面增加n为的冗余码，虽然增大了数据传输的开销，但是却可以进行差错检测，当传输可能出现差错时，付出这种代价往往是很值得的。
这n位冗余码可以用以下方法得出：用二进制的模2运算(二进制加法不进位)进行2^n乘M运算，这相当于在M后面添加n个0，得到的(k+n)位的数除以收发双方事先商定的长度(n+1)位的除数p，得出商是Q余数是R(n位，比P少一位)，例如：假定除数为P=1101，经过模2除法运算后的结果是：商Q为110101，余数R为001。这个余数R就可以当作循环冗余码拼接到数据M的后面发送出去，这种为了将检错而增加的冗余码成为帧检验序列FCS，因此加上FCS后发送的帧为101001001(即$x^{2}$M+FCS),共有(k+n)位。

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顺便说一下，循环冗余码CRC是一种检错方式，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
在接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验，把收到的每一个帧都除以相同的除数P(模2运算)。
如果在传输过程中没有差错，那么经过CRC检验后得到的余数R为0，
在接收端对收到的每一帧经过CRC检验，会有以下两种情况