咸鱼带你学计算机网络—数据链路层（一）

目录

 

一、基本概念

二、数据链路层使用的信道

1.点对点信道

2.广播信道

三、使用点对点信道的数据链路层

1.数据链路和帧

2、三个基本问题

四、点对点协议PPP

1.PPP协议的特点

2.PPP协议的组成

3.PPP协议帧格式

a.各字段意义

b.字节填充

c.零比特填充

4.PPP协议的工作状态

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一、基本概念

数据链路层的最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。

透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；

可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。

在物理层中这些情况都可能发生，在数据链路层中必须用纠错码来检错与纠错。

数据链路层是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一无差错的线路。

二、数据链路层使用的信道

1.点对点信道

这种信道使用一对一的点对点通信方式，使用点对点协议PPP

2.广播信道

这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

三、使用点对点信道的数据链路层

1.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（有线或无线），而中间没有任何其他的交换结点。
• 数据链路：除了物理链路外，还必须有通信协议来控制这些数据传输。
• 规程：早期的数据通信协议。在数据链路层协议与规程是同义词。
• 数据帧：数据链路层的协议数据单元，它包括三部分：帧头，数据部分，帧尾。其中，帧头和帧尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等；数据部分则包含网络层传下来的数据，比如ip数据包。

2、三个基本问题

• 封装成帧：在一段数据的前后部分分别添加首部和尾部。首部和尾部的一个重要作用为进行帧定界，此外首部和尾部还包括许多必要的控制信息。为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度，但是，每一条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。
• 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。
• 差错检测：是指在发送的数据帧中加入适当的冗余度以使得接收端能够发现传输中是否发生差错的技术。目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC的检测技术，发送方先把数据划分为固定长度组，然后在数据的后面添加n位的帧检验序列FCS。通常n=16或32，但为了提高传送效率，n应当远小于数据部分长度。帧检验序列FCS是经过简单的除法运算得出的，方法为：先在数据的后面添加n位0，然后作为被除数送到除法器进行运算。除数有（n+1）位，是经过精心挑选的，通过除法器的运算，最后得出的n位的余数就是我们所需要的帧检验序列FCS。循环冗余检验CRC是一种检错方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面用来检错的冗余码。

四、点对点协议PPP

通常用在两节点间建立直接的连接。它主要用于利用电话线来连接两台计算机，现在也有用在宽带计算机连接上。很多因特网服务提供商ISP使用PPP给用户提供接入服务。

1.PPP协议的特点

 

2.PPP协议的组成

由数据链路层协议、链路控制协议（LCP)、网络控制协议(NCP)组成。

• 数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。
• 使用链路控制协议（LCP)建立并维护数据链路连接。进行身份验证，计费等功能。
• 网络控制协议（NCP）允许在点到点连接上使用多种网络协议。

3.PPP协议帧格式

a.各字段意义

 

1. 首部第一个字段和尾部第二个字段都是标志字段F（Flag），规定为01111110。标志字段表示一个帧的开始或结束。标识字段就是PPP帧的定界符，如果出现连续两个标志字段，就表示为一个空帧，应当丢弃。
2. 首部中的地址字段A规定为11111111，控制字段C规定为00000011，这两个字段实际上并没有携带PPP帧的信息。
3. 首部的第四个字段是2字节的协议字段，如上图，不同的字节代表不同的内容。
4. 信息部分为来自网络层的IP数据报，长度不超过1500字节。
5.  尾部中的第一个字段FCS是使用CRC的帧检验序列。

b.字节填充

     当信息字段中出现和标志字段一样的比特组合时，为了保证透明传输，就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息字段中。当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为01111101，并使用字节填充，即

1. 把信息字段中出现的每一个01111110字节前面插入01111101。
2. 若信息字段中出现一个01111101字节，则在01111101的后面插入01111101。
3. 若信息字段中出现ASCII码的控制字符，则在该字符前面插入01111101，同时将该控制字符的编码加以改变。

     由于在发送端进行了字节填充，因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但是接收端在收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换，就可以恢复原来的信息。

c.零比特填充

      点对点协议在使用ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送），这时候，采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端。只要发现５个连续１，则立即填入一个０，接收端对帧中的比特流进行扫描，每当发现５个连续１时，就把这５个连续１后的一个０删除。

4.PPP协议的工作状态

      当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧），这些分组及其响应选择一些PPP参数，进行网络配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕后，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址，接着，LCP释放数据链路层连接，最后释放的是物理层的连接。