数据链路层——使用点对点信道的数据链路层

一.数据链路和帧

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。链路只是路径的组成部分

数据链路：数据链路=物理线路（链路）+通信协议（规程）

帧：点对点信道的数据连路层的协议数据单元，IP数据包加上首部和尾部

点对点信道的数据连路层在进行网络通信时的主要步骤如下：

（1）结点A的数据连路层把网络层叫下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧

（2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层

（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层；否则丢弃这个帧

二.三个基本问题——封装成帧、透明传输和差错检测

1.封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧

2.透明传输

解决由于数据部分字段和帧定界符相同而引起的数据传输错误问题

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”的前面插入一个转义字符“ESC”。在接收端的数据链路层把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符

3.差错检测：

为了保证数据传输的可靠性

循环冗余检测（CRC）：数据后面添加冗余码

冗余码计算：用二进制的模2运算进行2^n乘M的运算

除数P（n+1位）

余数R（n位）——作为冗余码（FCS）

接收条件：

（1）得出的余数R=0，则帧没有差错，接受

（2）R！=0，有差错，丢弃

使用局限:只能做到对帧的无差错接收

数据链路层提供的不是可靠传输

传输差错:

①比特差错

②帧丢失，帧重复，帧失序

若要提供可靠传输，需要在CRC检错的基础上增加帧编号、确认和重传机制

是否进行可靠传输的情况:

对于通信质量良好的有线传输线路，数据链路层协议不实用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上提供可靠传输的服务。如果在数据链路层传输数据时出现了差错并且需要进行改正，那么改正的任务就由上层协议来完成。

对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制，数据链路层线上提供可靠的传输服务

数据链路层(Data Link)是网络协议中的第二层。

链路: 从1个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线)，中间没有其他交换节点。

数据链路: 在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输。

不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的。

广播信道: CSMA/CD协议（比如同轴电缆、集线器等组成的网络）

点对点信道: PPP协议（比如2个路由器之间的信道）

数据链路层的3个基本问题：

1.封装成帧2.透明传输3.差错检验

帧(Frame) 的数据部分就是网络层传递下来的数据包（IP数据包，Packet）

最大传输单元 MTU（Maximum Transfer Unit）

每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限

以太网的MTU为1500个字节

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数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行转义。

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由于在接收端在接收的时候把转义符还原了，感受不到数据的变化，所以是透明传输。

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数据链路层首部是帧首部的一部分

FCS是帧尾部的一部分， FCS是根据数据部分+数据链路层首部计算 得出

接收端接收到信息后会计算出FCS并进行比较，如果发现不一致，网卡就会把这条信息丢弃（抓包工具也抓不到）

数据经过不同的数据链路层，对应的层会把之前的帧开始和结束符替换为自己的协议帧。

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio），

载波侦听多路访问/冲突检测（主要是为了支持单工通信和半双工通信）。

使用了CSMA/CD的网络可以称为是以太网（Ethernet），它传输的是以太网帧。

以太网帧的格式有：Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准

现在使用最多的是：Ethernet V2标准

为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突， 以太网的帧至少要64字节 。

用交换机组件的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧。

所以，用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网。

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首部：目标MAC地址 + 源MAC地址 + 网络类型（IPV4/IPV6）

以太网帧：首部 + 数据 + FCS

以太网帧的数据长度：46 ~ 1500字节

以太网帧的长度：64 ~ 1518字节（源MAC + 目标MAC + 网络类型 + 数据 + FCS）

当数据部分（从网络层传入的数据）的长度小于46字节时(总长度不足64字节)，

数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充，接收端会将添加的字节去掉。

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Frame(F): PPP协议是有帧开始和结束符的，0x7E

Address(A): 图中的值是0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC、目标MAC地址

Control(C): 图中的值是0x03，目前没有什么作用

Protocol(协议): 内部用到的协议类型（PPP协议的子分支协议）

虽然PPP帧和以太网帧的协议不一样，但是网络层的数据是一样的，仅仅是帧的首部和尾部发生了变化。

路由器和路由器直连时是PPP帧，如果在两个路由器之间加一个交换机，就不是PPP帧了，而是以太网帧。

因为路由器之间是点对点，不需要知道对方的MAC地址，但是以太网帧是广播信道，每一台设备必须确认自己是否是接收方。

PPP协议也是需要进行字节填充的：

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将0x7E替换成0x7D5E

将0x7D替换成0x7D5D

网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃。

Wireshark抓到的帧是没有FCS，因为它抓到的是差错校验通过的帧，帧尾的FCS会被硬件去掉，所以抓不到差错校验失败的帧。

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