计算机网络：第3章 数据链路层

3.1 数据链路层概述

3.1.1 定义

链路层的作用：接受网络层的数据单元并封装成帧，并交付给物理层。接受物理层传来的帧并去掉帧头帧尾发送给网络层，实现链路之间数据帧的无差错接受与传送。
在分层的网络结构体系中数据从一个主机传输到另外一个主机是通过逐层解封和封装完成的，但是如果只研究数据链路层，则可以看成数据沿直线从最左边的数据链路层传播到最右边，如下图所示：
数据链路层信道类型：

点对点信道对应ppp协议，广播信道对应CSMA/CD和CSMA/CA协议

3.1.2内容

1. 封装成帧

在五层网路结构体系中，数据要经过封装和解封的过程从一个主机传输到另外一个主机，在封装的过程中，数据链路层将来自网络层的网络层协议数据单元添加帧头和帧尾，使其封装成帧，使得数据在链路上以帧为单元传播，如下图就是以太网V2的MAC帧格式：

2. 差错检测

帧在传输过程中可能出现误码 ，接收方主机通过检错码发现是否出现误码，发送方基于待发送的数据和检错算法计算出检错码，并将其封装到帧尾，接收方主机在收到帧后可以通过检错码和检错算法判断是否出现误码。如上图的以太网V2的MAC帧帧尾的FCS（差错检测序列）就是一个检错码。

3. 可靠传输

尽管误码不能完全避免，但是若能实现发送方发送什么，接收方就能收到什么，就成为可靠传输。即在出现误码时，会采取措施使得接收方可以收到正确的数据。

3.1.3 广播信道的数据链路层

3.2 封装成帧

3.2.1 定义

定义： 指数据链路层给上层交付下来的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。帧头和帧尾包含重要的控制信息，比如帧定界的作用。
如下图所示的帧的头和尾就包含了1字节的标志，用以表示帧的开始和结束，但并不是所有的帧都包含有帧定界标志，比如以太网V2的MAC帧就不包含帧定界标志，在物理层，会给MAC帧加入前导码，包含了时针同步信息以及帧开始标志。另外，以太网还规定了帧间间隔为96比特时间的发送时间。

3.2.2 透明传输

透明传输：指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何的限制，就好像数据链路层不存在一样。比如说，如果上层交付的数据中也存在帧定界标志，如下图所示，那么接收方接收到第一个flag时认为帧开始，没有错误，但是当其就收到第二个flag时认为帧结束了，这是不正确的。如果数据链路层不对这样的情况做出处理，则这样的传输是不透明的，因为在这样的情况下，要求上层交付的传输数据中不能包含flag，否则就会出错。对于这种情况，一种处理方法就是对上层交付的数据进行扫描，如果发现flag则在前面添加转义字符即可。
面向字节的物理链路，使用字节填充的方式实现透明传输。
面向比特的物理链路，使用比特填充的方式实现透明传输。
比如下图中，帧定界标志假设为0111110，在上层交付的传输数据中也存在两个0111110，则可以使用0比特填充的方式实现透明传输，即在连续的5个1后插入一个0，使得帧的定界符在帧中唯一。

3.2.3 最大传送单元

3.3 差错检测

3.3.1定义

3.3.2 奇偶校验（略）

3.3.3 循环冗余校验CRC

3.4 可靠传输

3.4.1 可靠传输的基本概念

3.4.2 可靠传输实现机制

可靠传输实现机制主要有 停止-等待协议SW，回退N帧协议GBN，选择重传协议SR这三种。这三种传输机制的基本原理不仅限于数据链路层，可以用到计算机网络体系结构的各层协议中。

1. 停止-等待协议SW（Stop-and-Wait）

确认和否认：
发送方发送数据给接收方，接收方接受数据并进行误码检测，此时有两种情况：
数据正确，则向发送方发送确认分组，简称ACK
数据存在误码，接收方丢弃分组，向发送方发送否认分组NAK，发送方重传数据分组。
因此，在SW协议下，发送方发送完分组后不能直接将分组删除，而是要等待接收方发送确认分组后才能将其删除。
超时重传：
接收方收不到数据分组，就不会发送ACK或NAK。如果不采取其他措施，发送方就会一直处于等待接收方ACK或NAK的状态。为解决该问题，可以在发送方发送完一个数据分组时，启动一个超时计时器。若到了超时计时器所设置的重传时间而发送方仍收不到接收方的任何ACK或NAK，则重传原来的数据分组，这就叫做超时重传。一般可将重传时间选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。
确认丢失：
假如接收方收到发送方的正确分组后返回ACK，但是返回的ACK发生丢失，则发送方会进行超时重传，接收方会再次收到这个分组，造成分组的重复。为避免分组重复的问题，必须给分组带上序号。对于SW协议，由于每发送一个数据分组就停止等待，所以只要保证每发送一个新的数据分组，其发送序号与上次发送的数据分组的序号不同就可以了，因此用一个比特来编号就够了，即用0和1表示相邻的两个分组。
确认迟到：
接收方向发送方发送ACK，但是出现了延迟，发送方执行了超时重传，由于数据分组进行了编号，所以接收方可以判断此分组为重复的数据分组，将其丢弃并向发送方发送一个ACK，但是在此之前第一次迟到的ACK也到达了发送方，于是ACK就产生了重复。所以，对于接收方发送的ACK和NAK也都要进行标号

2. 回退N帧协议GBN（Go-Back-N）

无差错情况：
发送方将编号为0-5的数据分组发送给接收方，并且传输过程中没有出错。
接收方接收窗口内的数据分组并给发送方发送一个针对此分组的确认分组，然后将确认窗口向下移动一格。
发送方接受传来的确认分组，每接受一个确认分组，窗口就向下滑动一格，这样就有新的序号落入发送窗口。
发送方可以将收到确认分组的数据分组删除，接收方择机将数据分组交付上层处理。
累计确认的方式：接收方不一定要对收到的数据分组逐个发送确认，而是可以在收到几个数据分组后(由具体实现决定)对按序到达的最后一个数据分组发送确认。 表示序号为 ​​​ 及以前的所有数据分组都已正确接收。 这样的好处是即使确认分组在传输的过程中发生了丢失，也可能不用重传，同时可以减小接收方的开销，减少网络资源的占用。缺点是不能向发送方及时反映接收方已经正确接收的分组信息。
有差错情况：
假如发送方依次发送编号为56701的数据，并且在传输过程中编号为5的数据出现了误码。
接收方发现错误后丢弃5号分组。
接收方接收余下的分组，发现与接收窗口中的序号不匹配，则全部丢弃，每丢弃一个都对之前按序接收的最后一个数据分组进行确认，即发送ACK4 。
发送方接收到ACK4后，由于是重复接收，所以发送方就知道了之前发送的数据分组出现了差错，于是可以不用等超时计时器超时就立刻重传。至于收到几个重复确认消息就立刻重传，由具体的实现决定。
发送方由于没有接受到分组编号为56701的确认分组，则一段时间后执行超时重传（也可能在接受到多个ACK4后直接重传），将56701全部重传。
由于5号数据发生错误，虽然6701没有出错，但是全部一起进行了重传，这就是所谓的Go-Back-N，可见，当通信线路质量不好时，回退N帧协议的信道利用率也不高。

3. 选择重传协议SR（Selective Request）

流程：

发送方发送0123这4个分组，假设在传输过程中2号分组出现错误。
接收方按序接收01这两个分组，并返回ACK0和ACK1，接收窗口向右滑动两个位置，由于2号出现误码，则丢弃分组，同时接收3号分组，但是3号分组不是按序到达的，所以接收窗口不滑动，如下图：

确认分组传输到发送方，发送方接收0号和1号确认分组，发送窗口向右滑动两个位置。 接着，发送方将落入发送窗口的4号和5号分组发送出去，同时删除0号和1号分组，接收方也可择机将0号和1号数据分组交付上层处理。发送方再接受3号确认分组，发送窗口不会移动，因为不是按序到达的，但是会记录3号数据分组已经收到确认。

4号和5号数据分组到达接受方，接收方接受分组并返回确认分组，但是接受窗口不会移动，因为不是按序到达的。
此时，发送方针对2号数据分组的重传计时器超时了，发送方重传2号分组 ，4号和5号确认分组陆续到达发送方，发送方接收并标记确认接收，但发送窗口不移动，如下图：

接收方接受到2号数据分组，接受窗口可以向右移动4个位置，于是有新的6701落入接受窗口。同时，接受方发出2号确认分组。
发送方接收2号确认分组，发送窗口向右移动4个位置，有新的6701落入发送窗口，于是发送方发送6701数据分组。

3.5 点对点协议PPP

3.5.1 概念

3.5.2 帧格式

3.5.3 透明传输

3.5.4 差错检测

3.5.5 工作状态

3.6 使用广播通信的数据链路层

前面的PPP协议对应于点对点通信的数据链路层，接下来介绍使用广播通信的数据链路层。

3.6.1 局域网的数据链路层

1. 局域网概念
   局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。
   局域网具有如下主要优点：
   1.具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。
   2.便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
   3.提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
   局域网拓扑结构：
   

2. 媒体接入控制MAC技术
   广播通信就意味着需要共享信道，为了使众多用户可以共享通信媒体资源，主要有以下两种技术：
   

3. 以太网的两个标准
   以太网是一种基带总线局域网，以无源电缆作为总线传输数据帧，并以”以太“命名，历史上有两种标准：
   DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
   IEEE 802.3：第一个 IEEE 的以太网标准。
   这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作，且只有很小的差别，因此很多人也常把 802.3局域网简称为“以太网”。为了使数据链路层能适应不同标准的局域网，IEEE802委员会将数据链路层拆分成了两个子层：
   逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层：与传输媒体无关。
   媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层：与传输媒体有关。
   

4. 适配器的作用
   进行串行/并行转换。
   对数据进行缓存。
   在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
   实现以太网协议。

3.6.3 随机接入CSMA/CD协议

1. 前导知识

最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。
总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。
总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。
以太网采取的 2 种重要措施：
采用较为灵活的无连接的工作方式。不必先建立连接就可以直接发送数据。对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码。（缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍）

2. CSMA/CD概念

3. CSMA/CD的争用期

4. CSMA/CD的最小帧长

5. CSMA/CD的最大帧长

6. CSMA/CD的截断二进制指数退避算法

7. CSMA/CD的信道利用率

8. CSMA/CD的帧发生流程

9. CSMA/CD的帧接受流程

3.7 MAC地址、IP地址、ARP地址

3.7.1 MAC地址

2. IEEE 802 局域网的MAC地址格式


3. MAC地址的发送顺序

3.7.2 IP地址

3.7.3 ARP地址

如上图所示，B要给C发送数据报，B知道C的IP地址但是不知道C的MAC地址，需要在主机B 的ARP高速缓存中查找，ARP高速缓存表如图所示：

没有找到主机C的IP地址对应的MAC地址，则发出ARP请求报文，形式为广播帧，如下图所示：

ARP响应报文接受过程如下：