数据链路层

目录

前言 

一、基本内容

1.数据链路

2.三个基本问题

1.封装成帧

2.透明传输

3.差错检测

3.适配器

4.MAC地址

二、老数据链路层：

三、现代数据链路层：

1.网桥

网桥的内部结构

工作原理

2.交换机

1.多接口网桥-以太网交换机

2.交换机的两种转发方式

3.帧结构

补充：

1.集线器，中继器，交换机，网桥，交换集线器的区别：

2.四种网络拓扑图类型：

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前言 

   数据链路层是介于物理层和网络层中间的一层（根据TCP/IP体系结构划分），主要功能是将数据封装成帧、传输以及控制。

                         就比如这样：

                        比如封装：

      emmmm，开玩笑，是这样：TCP/IP体系结构

一、基本内容

1.数据链路

   数据链路：传输数据除了需要物理线路之外，还需要一些相应的通信协议来控制数据的传输。所以说，物理线路+实现协议的硬软件=数据链路。

2.三个基本问题

   不过我个人觉得叫做三个问题的解决办法似乎更容易理解=-=

1.封装成帧

   封装成帧其实就是在一段数据的前后分别加上首部和尾部。我们知道（我知道你们知道）：所有因特网上传送的数据都是以分组（数据报）为单元进行传输的，帧就是数据链路层上的数据报。有了首部和尾部，我们就能识别出帧的开始和结束，也就更方便对数据进行控制（比如下文的透明传输和差错检测）。

2.透明传输

   在帧的首部或尾部一般会包含定界符，来区分不同的帧。透明传输主要关注的是，如何判断定位符、分辨这些定位符和帧的数据中和定位符相同的部分，以此对帧进行正确的处理。举一个简单的例子，如图：

   图中的SOH和EOT等控制字符用于传输层，常用在Xmodem、Ymodem、Zmodem等文件传输协议中。同样，帧内部也有定界符，后文将帧结构时会讲到（感兴趣可以点击链接看看，反正我是还没看=-=）。

   另外，当在数据传输过程中出现错误时，定界符的作用更加明显。比如发送端在没发送完一个帧的时候出现了故障，接收端在接收数据时发现不是一个完整的帧（没有EOT），所以舍弃。.

   还有一个问题，如果帧的数据部分中有EOT（或SOH）呢？为了解决这种问题，我们可以在这个EOT/SOH的前面填充一些字节，如果数据部分中有ESC也一样，在ESC前面加一个ESC，对字符进行转义，如图（ESC就相当于我们常用的转义字符 '\'）：

   当进行帧检测时，就会发生以下情景（目前普遍由交换机负责对帧的控制）：

3.差错检测

   因为现实中的通信并不是理想的，不可能没有错误。为了保证传输信息的可靠性，就需要采用各种差错检测方式。目前在数据链路层使用最广泛的是循环冗余校验CRC方法（简称CRC循环校验）。具体过程如下：

   1.信息发送方和接收方事先选定一个CRC版本，即使用同一个多项式P(X)作为除数；

   2.发送方通过'模2运算'计算出一个冗余码（FCS），添加到帧的数据部分之后，组成一个传输帧，发送出去；

   3.接收方将收到的数据同样进行‘模2运算’，检查余数是否为0，不是则舍弃。

    1.A（发送方）和B（接收方）使用CRC-3版本（假定存在这个版本，方便计算和理解），生成的多项式P(x)=x^3+x^2+1，对应的除数P=1101（最高位对应x^3，最低位对应x^0），长度n为4个bit；

   2.A要发送的数据M=101001，长度k为6个bit（不考虑帧的内部结构），首先用M乘以2^n，得到一个数：2^n*M（相当于在M后面加上n-1个0），然后用这个数模2除以除数P，得到余数，即冗余码FCS，将FCS加在源数据M之后形成传输帧（T）发送出去（T=M+FCS）；

   3.B接收到T之后，用T模2除以P，看得出的余数是否为0，然后决定是否舍弃。

   话说了这么多，看图

   在发送方：

   在接收方，对T作同样的运算，可以发现余数是000，说明传输过程中没有出现差错（至少是CRC方法认为没有差错） 。

   另外，关于多项式P的生成、常用版本以及不同版本的适用情况，可以参考：CRC循环校验-百度百科或者Cyclic Redundancy Check-Wikipedia

   PS：1.FCS≠CRC，CRC是校验方法，FCS是冗余码，在校验时可以选择CRC，也可以选择其他的校验方法。

           2.发送端FCS的生成，接收端的CRC校验都是用硬件完成的，处理很迅速，不会延误数据的传输（为啥硬件快我也不清楚，反正就是快）。

           3.数据链路层上的CRC循环校验只能检错，不能纠错，即只能无差错接受。另外，在通信质量差的情况下（比如某高校的某教学楼下1000m处有金矿），数据链路层会使用帧的确认和重传机制，保证传输可靠。如果通信质量好，就不需要这些机制，即数据链路层不需要向上提供可靠传输服务。

3.适配器

   网卡，即网络接口卡（Network Interface Card，简称NIC）。因为现在PC不在单独使用网卡了，所以叫适配器更准确。适配器上有处理器和存储器（包括RAM和ROM），适配器中需要装有对数据进行缓存的存储芯片（后面讲交换机转发方式时会提到缓存）。

   需要注意的是，MAC地址存在适配器的ROM中，而IP地址存在计算机的存储器中。

4.MAC地址

   MAC地址用于识别数据链路中的不同节点，MAC地址长度为48bit，一般都会被烧入NIC的ROM中。因此，MAC地址不会重复（除非某人用微机板上自己设置）。

   MAC地址的48个bit分为四个部分，如图：

 

二、老数据链路层：

   老的和现代的是我个人根据所使用技术和设备的不同来划分的，只是为了方便理解，并没有严谨的定义。

   老数据链路层，老的意思就是现在几乎不用了。在以太网发展初期，以同轴电缆为主干线，在边缘部分使用集线器和双绞线的局域网得到了广泛的应用，但是存在着很多的问题，比如传输速率慢，容易发生冲突，不容易拓展等。

   老数据链路层主要应用在共享介质型以太网中，即设备在同一条信道上进行信息传输，所以经常发生信息冲突，即使之后规定了CSMA，CSMA/CD等协议，引入了集线器对网络进行了拓扑，但是并不能从本质上解决问题（即仍然是介质共享型）。

   关于CSMA/CD，在这里不再赘述，可以看一看：以太网发展简史，这里主要讲“使用集线器在物理层上进行网络的拓宽”

   集线器，顾名思义就是把线绑起来。   

   如图，不同的PC端通过一个集线器聚集在一起， 然后通过主干集线器来进行传输。

   表面上看，使用集线器的局域网是一个星型网，但由于集线器内部是通过电子器件来模拟实际电缆工作的，所以本质上使用集线器拓宽的以太网仍然是一个总线网 ，仍然需要使用CSMA/CD协议。简单来说就是，集线器只是搞了一个更大的冲突域。（之后研发了交换集线器，顾名思义就是把非共享性介质网络的技术用在介质共享型网络中，所以交换集线器也可以叫做交换机的前身，但是并不流行这种叫法，所以本文略过）

   这显然不是我们想要的。

   所以接下来我们讲现代的数据链路层。 

三、现代数据链路层：

   在说之前先来个图感受下：

   从图中可以看出，（站点）PC直接连接在二层交换机上，由交换机负责转发数据帧，发送端和接收端不共享通信介质。每台计算机与交换机端口之间形成一对一的连接，可以实现全双工通信，不会发生冲突，也就更不需要CSMA/CD协议就能实现更高效的通信。（当然现在好多计算机仍然保留着CSMA/CD机制，保证向下兼容。闲着无聊可以试一试切换成半双工模式）

   之前我们说过，虽然集线器在物理层上拓展了以太网，但是并没有太大的成效。所以就做了在数据链路层上拓展以太网的尝试，研发出了网桥以及交换机等设备，避免了数据的冲突。

1.网桥

   网桥分为两种：透明网桥和源路由网桥，但是由于源路由网桥并不容易安装和配置。所以下文中的网桥指的都是透明网桥。

   如图：图中的网桥有两个接口，分别连接左右两个网段。不同网段之间的通信不会相互干扰，所以网桥实现了冲突域的隔离，起到了过滤通信，增大吞吐量的作用，也提高了可靠性。

网桥的内部结构

   网桥能够识别数据链路层中的数据帧，并将这些数据帧临时保存，再重新生成一个信号作为全新的帧转发给另一个网段。由于能够存储（缓存）这些数据帧，网桥能够连接不同传输速率的数据链路，同时接收大量的数据，而且不限制连接的网段数。

工作原理

   网桥通过转发表来转发帧，比如A向C发送数据，数据先发送到接口1，网桥查看转发表，发现C在接口2连接的网段中，所以把数据传到接口2并转发给站点C。

   当然，网桥刚开始使用的时候转发表是空的，不过他可以自学习来建立转发表。如下图：

   但对于现在的交换机来说，设备启动时会发出免费的ARP广播，这样就能够很快建立起转发表。

   实际上，在网桥的转发表中除了地址和接口外，还有帧进入网桥的时间。因为以太网的拓扑结构经常变化，站点也可能会更换适配器（比如别人用你的网线上网），而登记帧到达网桥的时间就能够只保留网络拓扑的最新状态信息。因此，如果某个站点没发过数据，转发表中就不会有这个站点；如果一个站点A很久没有发送过数据了，那么A在转发表中的记录就会被删除。

   早期的网桥仍然使用CSMA/CD协议来避免冲突，这样会增加时延。但是当网桥逐渐演化为交换机之后，就不再使用CSMA/CD协议了（仍然保留），因为从介质上来说，被广泛使用的双绞线包含4个绕对，能够同时实现两个方向的收发；在交换技术上，微分段技术可以将任意两个站点划分到一个虚拟网络中，不会再和其他站点产生冲突。

2.交换机

1.多接口网桥-以太网交换机

   网桥的接口数很少，一般只有2~4个，而以太网交换机一般有几十个接口，因此，交换机也可以叫作多接口网桥，每一个端口都能提供类似网桥的功能，如图：

   对于一个10Mb/s的共享式以太网，如果有n个用户，则每个用户分得的平均带宽为10/n；如果使用交换机，虽然每个接口到站点的带宽是10Mb/s，但是因为用户在通信时是独占带宽，所以一个拥有n个接口的交换机的总容量就有10nMb/s，这是交换机的最大优点。

2.交换机的两种转发方式

   交换机有两种转发方式：存储转发和直通转发

   存储转发方式检查数据帧末尾的FCS之后再转发，当数据量庞大时，不能同时处理所有的数据帧，所以先将待处理的帧缓存下来，等其他的帧处理完之后再处理。因此存储转发方式可以过滤掉错误帧，但是会增加时延。

   交换机把待处理的帧缓存到缓存池中，缓存池的本质是一个队列，即FIFO(先进先出)。当然，为了优先处理某些重要的数据帧，一般都使用优先级队列。因此以太网帧中通常包含能表示优先级的数据（下文帧结构中会提到）。

   直通转发不需要将整个帧全部接收完再转发， 只要知道目标地址就可以转发。因此这种方法的延时短，但是相比之下更容易传送错误的帧。

3.帧结构

目前使用最多的是以太网V2的帧格式，如图：

 从图中可以看出：

在发送帧之前需要发送一个长度为8字节的前导码（前7个字节是10交替，最后一个字节时10101011），其中前同步码的作用是快速同步接收方的时钟（即提醒接收方，让其做好接收帧的准备，避免丢失信号）；帧开始界定符表示一个帧的开始。

目的地址和源地址是帧发送方和接收方的MAC地址，长度都为6个字节，如00:1A:FF:21:11:23

“类型”表示上一层（网络层）使用的是什么协议，以便网络层处理帧，比如0x0800指IPv4，0x0806指ARP，0x86DD指IPv6等，更多参见EtherType-Wikipedia

数据部分长度为46~1500字节。最小长度为46字节是CSMA/CD算法的限制，帧长度小于64时（6+6+2+46+4），在传输过程中易发生冲突。当然，如果要传输的数据小于46字节，则由上层协议进行字节填充。数据长度的上限是任意的，但是如果有些帧的长度超过了接收方缓冲区的大小，就会发生缓冲溢出；另外，为了避免一台主机长时间占用信道，所以规定帧最长为1518个字节（6+6+2+1500+4）。虽然现在几乎不使用在共享介质的链路层上工作的CSMA/CD协议了，但是因为现在的设备为了向下兼容而保留CSMA/CD，所以帧的长度仍然沿用之前的64~1518字节。

值得注意的是，帧格式中并没有帧结束符。这是因为在两个帧的传输之间都会留存一定的时间间隙，以便对数据进行处理。在发送完一个帧之后，发送方NIC的接口上的电压就不会再发生变化（物理层上比特流对应的曼彻斯特编码中不再发生跳变），接收方也就很容易找到帧的结束位置。

最后的FCS即上文讲到的冗余码，一般使用CRC循环校验的方法来检错。更多可以参考：CRC循环校验

另附VLAN中的帧格式：

 

因为本文偏向于理论性的知识，所以在此不阐述其他普遍的应用，如无线通信，公共网络等等。

 

补充：

1.集线器，中继器，交换机，网桥，交换集线器的区别：

   中继器（Repeater）：工作在物理层上，整理还原信号；

   集线器（Hub）：工作在物理层上，相当于多接口的中继器；

   网桥（Bridge）：工作在数据链路层上，主要功能是在不同网段之间转发数据；

   交换集线器：工作在数据链路层上，是一种把非共享介质型网络的技术用在共享介质型网络上的设备，属于早期的网桥；

   交换机：工作在数据链路上，是现在数据链路层上最常见的设备，也可以叫做多接口网桥，一般有二层交换机和三层交换机两种；

   现在除了交换机经常使用，其他的都几乎不再使用了。

2.四种网络拓扑图类型：

 

   撰写本文的初衷是为了总结复习及分享所学的知识，由于个人能力和时间有限，如果文中有误，敬请评论指正。虽然文章这么长，但是如果有一点能够帮助到你，我就很开心了。

   参考资料：《图解TCP/IP》；

                     《计算机网络》-谢希仁；

                       以及文中好多的链接。