数据链路层的三个基本问题

数据链路层的三个基本问题

1. 封装成帧

• 封装成帧(framing)：就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
• 接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
• 分组交换的一个重要概念：就是所有在因特网上传送的数据都是以分组(即IP数据报)为传送单位。
• 网络层的IP数据报传送到数据链路层就成为帧的数据部分。在帧的数据部分的前面和后面分别添加上首部和尾部，就构成了一个完整的帧。
• 帧长等于数据部分长度加上帧首部和帧尾部的长度，而首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界(即确定帧的界限)。
• 首部和尾部还包含许多必要的控制信息，在发送帧时，是从帧首部开始发送。
• 各种数据链路层协议都要对帧首部和帧尾部的格式有明确的规定。
• 为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能大于首部和尾部的长度。但是，每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。
  
• 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。另一个控制字符EOT(End Of Transmission)表示帧的结束。他们的十六进制编码分别是01(二进制是00000001)和04(二进制是00000100)。
  
• 当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加明显。假定发送端在尚未发完一个帧时突然出现故障，中断了发送。但随后很快又恢复正常，于是重新从头开始发送刚才未发送完的帧。由于使用了帧定界符，在接收端就知道前面收到的数据时个不完整的帧(只有首部SOH，没有传输结束符EOT)，必须丢弃。而后面收到的数据有明显的帧定界符(SOH和EOT)，因此这是一个完整的帧，应当收下。

2. 透明传输

• 由于帧的开始和结束的标记是使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，否则就会出现帧定界的错误。
• 当传送的帧使用文本文件组成的帧时(文本文件中的字符都是从键盘上输入的)，其数据部分显然不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符。可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输。
• 问题：当数据部分是非ASCII码的文本文件时(如二进制代码的计算机程序或图像等)，情况就不同了，如果数据中的某个字符的二进制代码恰好和SOH或EOT这种控制字符一样，数据链路层就会错误地找到帧的边界，把部分帧收下(误认为是完整的帧)，而把剩下的那部分数据丢弃(这部分找不到帧定界控制字符SOH)。这样的帧的传输显然就不是透明传输。
  
• 问题分析：为了解决透明传输的问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符”SOH”和”EOT”在接收端不被解析为控制字符。
• 解决方法：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符”SOH”和”EOT”的前面插入一个转义字符”ESC”(其十六进制编码是1B)。而在接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。这种方法称为字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)。如果转义字符也出现在数据当中，那么解决方法仍然是在转义字符的前面插入一个转义字符。因此，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

• 传输差错：可分为两大类，一类就是最基本的比特差错，另一类就是收到的帧并没有出现比特错误，但却出现了帧丢失、帧重复或帧失序。
• 比特差错：就是比特在传输过程中可能会产生差错，即1可能会变成0，0可能会变成1。比特差错是传输差错中的一种。
• 三个帧：[#1]-[#2]-[#3]，假定在接收端收到的却有可能出现的情况：
  (1)帧丢失：收到[#1]-[#3]（丢失了[#2]）。
  (2)帧重复：收到[#1]-[#2]-[#2]-[#3]（收到两个[#2]）。
  (3)帧失序：收到[#1]-[#3]-[#2]（后面发的帧反而先到达了接收端，这与一般的数据链路层传输概念不一样）。
• 误码率BER(Bit Error Rate)：就是在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率。例如，误码率为10^(-10)时，表示平均每传送10^10个比特就会出现一个比特的差错。误码率与信噪比有很大的关系，如果提高信噪比，就可以使误码率减小。
• 问题：实际的通信链路并非理想的，它不可能使误码率下降到零。
• 问题分析：为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种检测措施。
• 解决方法：目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)的检测技术。
• 注：在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

补充： OSI的观点是必须把数据链路层做成是可靠传输的。因此在CRC检测基础上，增加了帧编号、确认和重传机制。收到正确的帧就要向发送端发送确认。发送端在一定的期限内若没有收到对方的确认，就认为出现了差错，因而就进行重传，直到收到对方的确认为止。
这种方法在历史上曾经起到很好的作用。但现在的通信线路的质量已经大大提高了，由通信链路质量不好引起差错的概率已经大大降低。
因特网广泛使用的数据链路层协议都不适用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上层提供可靠传输的服务(因为这要付出的代价太高，不合算)。如果在数据链路层传输数据时除了差错并且需要进行改正，那么改正差错的任务就由上层协议(如，运输层TCP协议)来完成。实验证明，这样可以提高通信效率。

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参考文献：
[1]《计算机网络(第5版)》谢希仁——第三章 3.1