数据链路层——封装成帧、透明传输、差错检测、最大传输单元MTU、以太网协议

OSI模型中的数据链路层与物理层，在TCP/IP协议中同属于网络接口层。

数据链路层为物理连接之间提供了可靠的数据传输。数据链路层主要解决3个问题：封装成帧、透明传输、差错检测。

封装成帧

“帧”是数据链路层中数据的基本单位，发送端在一段数据前后添加特定标记形成“帧”，接收端根据前后特定标记识别出“帧”。

帧首部和尾部是特定的控制字符（即：特定比特流），帧首部（SOH）使用00000001，帧尾部（EOT）使用00000100。

透明传输

假如帧数据中刚好存在帧首部、帧尾部的比特流，那该怎么处理呢？

下图的帧数据中出现了帧尾部的比特流。

解决方式是在帧数据的EOT前面加一个转义字符

如果帧数据中就包含了ESC+EOT比特流，则在前面再加一个转义字符。

这种处理方法跟编程语言中使用“\”作为转义字符是一个道理。

“透明”在计算机领域是一个非常重要的术语，透明即“当它不存在”。在特殊比特流前面加转义比特流，将帧数据中的特殊比特流透明化，以便能把这些比特流标识为正常的数据。

差错检测

数据在物理层以比特流的方式传输，传输过程中可能发生差错，0可能变成1，1可能变成0。数据链路层提供差错检测功能，在发送的数据块中添加一些冗余信息，以便接收方判断数据在传输过程中是否出错。

奇偶检验码

奇偶检验码是一种通过增加冗余位使得码流中"1"的个数恒为奇数或偶数的编码方法。下面以码流中“1”恒为偶数讲解。

假设要发送数据是00110010，1的个数是奇数个，在数据的末尾加1，保证数据中“1”为偶数个。假设要发送数据是00111010，1的个数是偶数个，在数据的末尾加0，保证数据中“1”为偶数个。

当001100101在传输过程中有一个比特位发生变化，变成了000100101，接收端收到数据后，发现“1”的个数为奇数个，则认为此数据在传输过程中发生了错误。

奇偶检验有局限性，如果数据有两个比特位发生错误，奇偶检验无法检测出错误。例如001100101在传输过程中，前面的两位发生错误，变成111100101，由于“1”的个数还是偶数个，则服务端认为此数据是正确的。

循环冗余校验码CRC

目前在数据链路层广泛使用了CRC检测技术（循环冗余检测）。CRC校验码是在数据后面添加n位冗余码，构成“数据+n位冗余码”的帧发送出去。

CRC用到了模“2”除法，二进制的模“2”除法不会向前一位借位，仅是一种异或的数学关系。例如：1001除以1010，商为1，余数是11。1101除以1011，商为1，余数是110。如下图：

计算CRC循环冗余校验码有3步骤：

1、选定一个用于校验的多项式G(x)，G(x)的位串（也叫“最高阶”）是r。

2、在数据尾部添加r个0，使用模“2”除法除以多项式的位串。

3、得到的余数填充在原数据末尾，得到可校验的位串。

下面以，数据=101001 为例子讲解。

发送端

1、 ，最高阶是3，对应的二进制串为1101。

2、要校验的数据为101001，由于G(x)最高阶是3，则在数据后加3个0，变成101001000。

101001000除以G(x)对应的二进制串1101

3、将余数001添加到原始数据101001的后面，变成101001001，这个数据就是发送给接收端的数据。

接收端

接收端将接收到的数据除以对应的二进制串1101，如果余数为0，则认为数据没有出错。

例如：接收端收到101001001后，使用101001001除以对应的二进制串1101，余数为0，证明数据在传输过程中没发生错误。

最大传输单元MTU

MTU即Maximum Transmission Unit 最大传输单元。它是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位）。

数据链路层传输数据的基本单位是帧，数据帧不可能无限大，以太网的MTU一般为1500字节。

路径MTU是指一条因特网传输路径中，从源地址到目的地址所经过的“路径”上的所有IP跳的MTU的最小值。

上图中计算机A向计算机B传输数据会经过几个小型网络，小型网络之间的MTU各不相同。路径MTU就是此“路径”上最小的MTU，路径MTU = 1492

以太网协议

MAC地址

网络中每台设备都有一个唯一的网络标识，这个地址叫MAC地址或网卡地址，由网络设备制造商生产时写进硬件内部。 MAC地址是48位的（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号或者中杠隔开，如08:00:20:0A:8C:6D是一个MAC地址。

window使用 ipconfig -all 命令查看MAC地址

以太网协议

以太网(Ethernet)是一种使用广泛的局域网技术，可以完成相邻设备的数据帧传输，是TCP/IP协议簇四层模型的网络接口层使用的协议。

以太网协议数据帧的格式如下：

目的地址、原地址是接收端、发送端的MAC地址，各占6个字节（前面有提到MAC地址是6个字节的）。

类型用于表示网络层使用的协议（备注：数据链路层的上一层就是网络层），占2字节，例如：0800表示网络层使用的是IP协议。

帧数据是网络层交付给数据链路层的数据。数据链路层将网络层的数据加上头（目的地址、源地址、类型），加上尾（CRC冗余校验码）就组成了以太帧网协议的数据帧。

数据链路层将CRC循环冗余校验码添加到以太帧的尾部。

数据链路层使用以太网协议完成相邻设备间的数据传输。

问题一：如上图所示，计算机A要将数据发送给计算机C，过程是怎样的呢？

1、路由器E维护了一张MAC地址表，存储了计算机A、B、C的MAC地址与硬件接口（即：路由器插槽）的映射。

2、路由器接收到A发送的数据帧后，读取数据帧中的目的地址。路由器通过MAC地址表知道目的地址的设备插在了E3接口上，则将数据帧发送给E3接口的设备。

问题二：假如MAC地址没有C与E3的映射会怎样呢？

1、路由器收到A发送的数据帧后，在MAC地址表中找不到目的地址与硬件接口的映射，就会将数据帧广播给除了A以外的所有设备。

2、将数据广播出去后，路由器将收到B、C的响应信息，并将C的MAC地址与硬件接口的映射更新到MAC地址表。

问题三：如果A与C之间有多个路由器，数据如何传输？

以太网协议只能解决相邻节点的数据传输，这种跨设备传输的问题将交给网络层解决。请看这篇博客 https://blog.csdn.net/u010606397/article/details/110422346