计算机网络笔记7 数据链路层的三个基本问题（封装成帧、透明传输、差错检测）

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：

一、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，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

MTU 一千五百字节

帧定界举例

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。
SOH (Start Of Header) ：十六进制编码为01
EOT (End Of Transmission)：十六进制编码为04
控制字符 SOH 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT 表示帧的结束。

ASCII编码

二、透明传输

解决透明传输问题

解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。
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” (其十六进制编码是 1B)。
接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。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。

三、差错检测

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error
Rate)。
误码率与信噪比有很大的关系。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
处理差错的常用措施：纠错和检错
注意！任何校验方式都是事先规定好的！

纠错与检错

纠错码举例——海明码
（由于插入过多冗余信息，导致传输效率低）
现在的网络基本不用纠错码了，一般用检测码

检错码举例：
– 校验和
√ 0x21 0x23 0x5d 0x1a 0x47 0x8b 0x05 0x1c 0x1ae
√ 0x21 0x23 0x5d 0x1a 0x47 0x8b 0x05 0x1c 0xae
– 奇偶校验（容易漏检）
– 循环冗余码（CRC）
（具有很强的检错能力）

循环冗余检验的原理

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC（Cyclical Redundancy Check） 的检错技术。
• CRC 检错思想：
收发双方约定一个生成多项式P(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在信息帧的末尾加上校验码R(x) ，使带校验码的帧的多项式能被P(x)整除；接收方收到后，用P(x)除多项式，若有余数，则传输过程有错（无法确定错误位置和数量）。若余数为零，有错的可能性很小。

CRC检错能力

CRC检错能力极强，开销小，易于用编码器及检测电路实现。
从其检错能力来看，它所不能发现的错误的几率非常低。
从性能上和开销上考虑，均远远优于奇偶校验及校验和等方式。

冗余码的计算

补充：什么是模2运算？加法无进位，减法无借位
等同于异或的概念

冗余码的计算举例

冗余码计算关键问题

注意需添加的位数为多项式位数减一；
每次运算只向后移1位，也即每次被除数与多项式位数相同，此时最高位为1则商1，为0则商0；
最后余数不足n（添加的位数）位的前面需要补充0
注意模二运算

接收端CRC检验

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
(2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错， 就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。
“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。

例题：

差错检测是否能够保证可靠传输？
– 差错检测只能实现比特传输错误检测
– 应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。
– 传输错误还可能出现：帧丢失、帧重复、帧失序
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。
要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

（笔记总结自MOOC视频）