网络协议底层原理（五）：数据链路层

一、什么是数据链路

• 1. 什么是链路？链路就是从1个节点到相邻节点的一段物理线路，无论是无线还是有线的，并且中间没有其他交换节点，如下图所示，下图中每个红框圈出来的，都是一段链路！
     
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• 2.什么是数据链路？数据链路就是在一段链路上传递数据，我们知道传递数据需要事先约定好协议，所以链路上传输数据时，会有对应的通讯协议来控制数据的传输

• 3. 不同类型的链路，所遵守的通讯协议是不一样的，如下图所示，计算机到路由器传输数据采用CSMA/CD协议，路由器到路由器传输数据采用PPP协议；（注意这里的协议说的是数据链路层用的协议！！！）

  • 广播信道（把消息广播出去的信息通道），就采用CSMA/CD协议， 例如同轴电缆和集线器组成的链路；

  • 点对点信道（把消息单对单传输出去的信息通道），就采用PPP协议，例如两个路由器之间的链路；
    

    不同链路传输数据，采用的协议不同

• 4. 只是要数据链路层，无论传输数据时，采用什么协议，都会面临三个问题：封装成帧、透明传输、差错校验，只要解决了这三个问题，我们就能完整的把数据通过数据链路层传输出去，我们来看看前辈们是怎么解决这三个问题的

二、封装成帧

• 1. 封装成帧指的是，如何把网络层传递过来的数据，封装成数据链路层传递的数据，数据链路层 数据的单位是: 帧，所以叫做封装成帧
• 2. 前辈们是这么设计的，将网络层传过来的数据(也就是IP数据包)，放在中间，两边加上帧开始符和帧结束符，组成一帧，要注意的是，每个帧的数据部分都有一个最大传输单元(MTU)，也就是上层传递过来的IP数据包，必须小于MTU才行，如下图所示
     
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• 3. 每种数据链路层的协议都规定了最大传输单元MTU的大小，以太网（也就是CSMA/CD协议）规定的MTU是1500个字节

三、透明传输

• 1. 我们传输数据时，要根据帧开始符号和帧结束符判断出来哪块数据是一个完整的帧，如果帧的数据部分出现了帧开始符或者帧结束符怎么办呢，就无法划分出完整的帧了，针对这种情况，前辈们想出来了一个解决方案，让你不用关心数据是如何转化的，一个完整的帧经过数据链路传输以后，还可以得到完整的帧，我们把这个传输过程成为：透明传输
• 2. 前辈们是如何设计透明传输的呢？其实很简单，如下图所示，SOH是帧开始符，EOT是帧结束符，当中间的数据部分出现帧开始符SOH或者帧结束符EOT或者转义字符ESC时，就往这个字节后面插入一个转义字符ESC，判断帧是否结束时，就看下帧结束符前边有没有转义字符就可以了，没有就代表是真正的帧结束符；效果就是：从结点A发出去的帧是怎样的，经过链路传输以后，结点B收到的帧也是怎样的
     
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四、差错校验

• 1. 差错校验是指：万一传输过程中出现了错误，怎么校验出来呢？例如收到信号干扰导致某个位错误了 ，怎么能知道错误呢？

• 2.前辈们是这么设计的：在帧的尾部放上了一个字段，叫做FCS，这个字段的值是：通过帧的数据部分+数据链路层的首部组合起来计算出来的一个哈希值，传输过去以后，就再次计算一下FCS，与传递过来的FCS做比较，如果不一致，就认为传输出错了，网卡就会把这个帧扔掉
  

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五、以太网帧

• 1. CSMA/CD协议，全称是Carrier Sense Multiple Access with Colision Detectio，翻译过来就是载波侦听多路访问/冲突检测，意思就是只要遵守这个协议，就具备载波侦听(监听这个线路有没有数据在传输)、冲突检测(收到的数据是冲突产生的回波，还是真实数据)的能力；（一般在集线器时代，用这个协议比较多；现在用的交换机已经具备了全双工通讯了，也就不需要这个协议了）
• 2. 使用CSMA/CD协议的网络可以称为以太网（Ethernet），它传输的是以太网帧

  • 以太网帧的格式有：Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准，不同标准的帧的格式不一样

  • 目前以太网使用最多的是：Ethernet V2标准

• 3. 为了能检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节
• 4. 用交换机组件的网络，已经支持全双工通讯了，不再需要使用CSMA/CD协议了，但是它传输的帧依然是以太网帧，所以用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网

六、以太网的Ethernet V2帧

• 1. 以太网帧的Ethernet V2标准格式如下图所示，在数据链路层这一行，最左边是帧的首部，中间是帧的数据部分，最右边是帧的尾部：

  • 帧的首部，没有帧开始符，只剩下目标Mac地址、源Mac地址、类型了，类型就是IPv4或者IPv6；

  • 帧的数据部分，是网络层传递过来的数据，如果不够64字节，会自动填充；

  • 帧的尾部，只剩下FCS这个哈希值了，用来进行差错校验的；

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• 2. Ethernet V2帧之所以没有帧开始符和帧结束符，是因为以太网采用了曼彻斯特编码，接受帧的过程只要发现信号没有跳变，就认为帧结束了，这是一种通信技术，不在咱们此次研究范围内，了解即可
• 3. 以太网的一个标准的Ethernet V2帧就长下面这个样子，由：帧的首部 + 帧的数据部分 + 帧的尾部组成，长度范围是64~1518字节
     
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七、PPP帧

PPP帧长下面这个样子，因为是点对点信道，所以不需要源Mac地址和目标Mac地址了，但是多了帧开始符和帧结束符

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八、总结

• 1. 相邻物理线路之间传输数据就是数据链路，不同链路之间遵守的通讯协议不同，根据通讯协议，我们可以把常见的数据链路层的帧分为：以太网帧 和 PPP帧，如下所示：

  • 计算机和路由器之间、交换机和路由器之间的数据传输，用的是以太网帧

  • 路由器和路由器之间的数据传输，用的是PPP帧

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• 2. 从网络层传递下来的IP数据包，从计算机0到计算器1的过程中，会以帧的形式进行传输，帧的数据部分不会变，变得是帧的首部和帧的尾部，帧的首部和尾部会随着链路不同发生变化，例如：以太网帧就没有帧开始/结束符，PPP帧就没有源Mac地址和目标Mac地址！！！
• 3. 以太网帧和PPP帧的区别在于：以太网帧有目标/源mac地址，没有帧开始和帧结束符；PPP帧没有mac地址，多了帧开始和结束符；为什么会有这种差别呢？

  • 以太网帧有目标/源mac地址，而PPP没有？- 是因为以太网帧的协议是广播协议，会给这个网段的所有的设备发送数据，所以要知道目标mac地址才好确认是发给谁；而PPP协议是点对点协议(Ponit to Point Protocol)，用于两个路由器直接相连，不需要mac地址就可以传输过期；

  • 以太网没有帧开始结束符，而PPP有？ - 是因为以太网使用的是曼特斯特编码，接受的时候发现有信号跳变，就认为帧结束了，所以没有帧开始结束符

• 4. 网卡工作于数据链路层和物理层；交换器、集线器工作于物理层；路由器工作于网络层、数据链路层、物理层
• 5. WireShark抓包工具，抓到的帧没有FCS，因为FCS会在网卡进行差错校验后扔掉