【复习408】计网数据链路层详记

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数据链路层（Data Link Layer）是OSI七层模型中的第二层，也是TCP/IP模型中网络接口层的重要组成部分。它位于物理层和网络层之间，其核心使命是将在网络层传输的IP数据报封装成“帧”（Frame），并在两个相邻节点之间的链路上实现可靠、高效的数据传输。

第一章：数据链路层的核心功能与原理

数据链路层通过一系列复杂而精巧的机制，将物理层提供的可能出错的比特流，转变为对网络层而言无差错的数据链路。其主要功能包括封装成帧、差错控制、流量控制与可靠传输，以及介质访问控制。

1.1 封装成帧（Framing）‍

网络层的IP数据报在下交到数据链路层后，会被“包装”成帧。这一过程称为封装成帧。帧是数据链路层数据传输的基本单位。

帧的构成：一个典型的帧由三部分组成：
- 帧头（Header）‍：包含重要的控制信息，如源和目的MAC地址、类型/长度字段等。
- 数据部分（Payload）‍：即网络层传递下来的IP数据报。
- 帧尾（Trailer）‍：通常包含用于差错校验的帧校验序列（FCS）。
帧定界（Frame Delimiting）‍：为了让接收方能准确地从比特流中识别出帧的开始和结束，必须有明确的定界机制。主要有以下四种方法：
1. 字符计数法：在帧头用一个字段标明该帧包含的字符数。缺点是如果计数字段出错，会导致后续所有帧的定界都发生灾难性错误。
2. 字符填充法：使用特定的字符（如SOH和EOT）来界定帧的开始和结束。为了实现“透明传输”（即允许数据部分包含任何比特组合，包括定界符），当数据中出现定界符时，发送方会使用一个转义字符（ESC）进行填充。接收方则进行反向操作。PPP协议使用的就是字节填充法。
3. 比特填充法：使用一个特定的比特模式（如01111110）作为帧的标志。为了实现透明传输，发送方在数据部分每遇到连续5个“1”后，就自动插入一个“0”。接收方则在每检测到5个连续的“1”后，检查其后的第6个比特，若为“0”则删除。HDLC协议就采用此方法。
4. 违规编码法：在物理层编码时，使用一些“违规”的（即正常数据不会出现的）编码来定界帧。例如，曼彻斯特编码可以用“高-高”或“低-低”电平序列作为定界符。

1.2 差错控制（Error Control）‍

物理链路并非理想，信号在传输过程中可能会因噪声等因素产生差错（比特翻转）。差错控制的目标就是检测并可能纠正这些错误。

差错检测机制：通常通过增加冗余信息来实现，主要方法有：
- 奇偶校验（Parity Check）‍：通过在数据末尾添加一位校验位，使得整个码字中“1”的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。它只能检测出奇数个比特的错误，且无法定位错误，对于常见的突发错误检测能力很弱。
- 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check, CRC）‍：这是数据链路层最常用、最强大的差错检测技术。
  - 原理：将要发送的数据比特串视为一个高次多项式 $M (x)$ 。发送方和接收方共同约定一个“生成多项式” $G (x)$ 。发送方通过 $M (x)$ 与 $G (x)$ 进行模2除法运算，得到的余数（即CRC校验码或FCS）附加在数据末尾一起发送。接收方用收到的整个数据串去除以同一个 $G (x)$ ，若余数为零，则认为传输无差错。
  - 生成多项式的选择：生成多项式的选择至关重要，直接决定了CRC的检错能力。好的多项式应能检测出所有单比特、双比特错误以及一定长度内的突发错误。以下是一些多种标准的生成多项式，被广泛的用于以太网与PPP协议等，例如：
    - CRC-16-CCITT:
      
      ，广泛用于HDLC和PPP协议中。
    - CRC-32:
      
      , 被以太网、PPP等广泛采用。
差错纠正机制：
- 自动重传请求（ARQ, Automatic Repeat reQuest）‍ ：也称后向纠错（BEC）。接收方检测到错误后，不尝试纠正，而是简单地丢弃该帧，并通过某种机制通知发送方重传。这是数据链路层最主要的纠错方式。
- 前向纠错（FEC, Forward Error Correction）‍：发送方在数据中加入足够的冗余信息，使得接收方在发现错误时，能够直接确定错误位置并加以纠正，无需重传。例如 汉明码（Hamming Code）‍。FEC开销较大，在有线网络中不常用，但在信道质量差、时延大的无线通信或深空通信中很有价值。

第二章：数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种多样的物理介质，IEEE 802标准委员会将其划分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。

2.1 逻辑链路控制子层（LLC - Logical Link Control）

LLC子层（标准为IEEE 802.2）位于MAC子层之上，其主要作用是：

隐藏差异：向网络层隐藏不同MAC层协议（如以太网、令牌环等）的实现细节，为网络层提供一个统一的接口。
提供服务：它可以提供三种类型的服务：无确认无连接服务、面向连接服务、有确认无连接服务。
PDU格式：LLC协议数据单元（PDU）的头部包含目的服务访问点（DSAP）和源服务访问点（SSAP），用于区分上层的不同协议（如IP或IPX）。

在目前的TCP/IP体系中，由于IP协议自身是无连接的，LLC层的作用被大大简化，很多时候其功能是“透明”的。

2.2 介质访问控制子层（MAC - Media Access Control）‍

当多个节点共享同一广播信道（如总线型以太网、无线Wi-Fi）时，就需要一种机制来协调它们对信道的使用权，避免或解决数据发送时的冲突。这就是介质访问控制（或称多路访问）要解决的问题。

静态划分信道：
- 频分多路复用（FDM）‍ 、时分多路复用（TDM）‍ 、波分多路复用（WDM）‍ 和码分多路复用（CDM）‍：这些技术通过在频率、时间、波长或编码上将信道划分为多个互不干扰的子信道，分配给不同用户。优点是无冲突，缺点是信道利用率低，当用户没有数据发送时，其分配到的子信道也被浪费。
动态介质访问控制（随机访问）‍：
- ALOHA协议：思想简单，想发就发。纯ALOHA协议吞吐量很低（约18.4%）。时隙ALOHA协议通过将时间划分为离散的时隙，规定用户只能在时隙开始时发送，将冲突窗口减半，最大吞吐量提升至36.8%。
- CSMA协议（载波侦听多路访问）‍：发送前先监听信道。根据监听到信道忙碌时的不同策略，分为1-坚持、非坚持和p-坚持CSMA。
- CSMA/CD协议（带冲突检测的CSMA）‍：这是传统以太网的核心技术。其工作口诀是“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。
  - 工作流程：发送前监听信道，若空闲则发送。发送过程中持续监听，若检测到冲突（即收到的信号与发出的不一致），立即停止发送数据，并发送一个“拥塞信号”以通知所有节点。然后，启动二进制指数退避算法，在0到 $2^k - 1$ （k为重传次数）之间随机选择一个数 $r$ ，等待 $r$ 个争用期时间后再尝试发送。
  - 争用期与最小帧长：为了确保在发送完毕前能检测到可能发生的最远距离的冲突，帧的发送时间不能太短。帧的传输时延必须至少是信号在信道中单程传播时延的两倍（即一个RTT）。这个时间窗口被称为“争用期”或“冲突窗口”。因此，以太网规定了最小帧长为64字节，任何小于此长度的帧都会被认为是冲突产生的碎片。
- CSMA/CA协议（带冲突避免的CSMA）‍：主要用于无线局域网（IEEE 802.11）。由于无线信道的复杂性（如存在“隐藏站”问题），冲突检测难以实现。CSMA/CA的核心思想是“尽量避免冲突”，通过预约信道（RTS/CTS握手）、使用ACK帧进行确认、二进制指数退避等机制来降低冲突概率。

第三章：主要数据链路层协议详解

3.1 局域网协议：以太网（Ethernet）‍

以太网（IEEE 802.3标准）是当今应用最广泛的局域网技术。

MAC地址：以太网使用48位的MAC地址（物理地址）来唯一标识网络中的每一个接口。它被固化在网卡的ROM中。
帧格式：存在两种主流的帧格式：
- Ethernet II 帧格式（DIX Ethernet V2）‍：这是最常用的格式。其结构为：[目的MAC(6B)] [源MAC(6B)] [类型(2B)] [数据(46-1500B)] [FCS(4B)]。其中的“类型”字段用于指明上层协议，如0x0800代表IP协议。
- IEEE 802.3 帧格式：其结构与Ethernet II类似，但将“类型”字段替换为“长度”字段，表示后面数据字段的字节数。真正的类型信息则被移到了LLC子层的头部。
从共享式到交换式以太网：
- 集线器（Hub）‍：工作在物理层，将所有端口连接在同一个冲突域和广播域中。所有连接到集线器的设备共享带宽，采用半双工CSMA/CD方式工作。
- 交换机（Switch）‍：工作在数据链路层，能够学习并记录端口与MAC地址的对应关系。每个端口都是一个独立的冲突域，极大地减少了冲突，提高了网络性能。所有端口仍处于同一个广播域中。
全双工模式与流量控制： 在现代的点对点连接的交换式以太网中，设备通常工作在全双工模式下，可以同时发送和接收数据，因此不再需要CSMA/CD机制。此时，如果接收方缓冲区即将溢出，它会通过发送一种称为PAUSE帧（IEEE 802.3x标准）的特殊MAC控制帧，请求发送方暂停发送数据一段时间，从而实现流量控制。

3.2 广域网协议：PPP 与 HDLC

广域网（WAN）连接通常是点对点的，PPP和HDLC是两种经典的广域网数据链路层协议。

HDLC（High-Level Data Link Control）:
- 特点：是一种面向比特的同步协议，提供可靠的数据传输服务。
- 帧格式：[标志F(01111110)] [地址A] [控制C] [信息I] [FCS]。使用“0比特填充法”实现透明传输。其控制字段（C）非常复杂，定义了信息帧（I帧）、监督帧（S帧）和无编号帧（U帧）三种类型，用于实现完整的滑动窗口和链路控制功能。
PPP（Point-to-Point Protocol）‍:
- 特点：是目前使用最广泛的点对点协议。它面向字节，支持同步和异步传输，是不可靠的（只检错不纠错），但提供了强大的认证（PAP/CHAP）和网络协议协商功能。
- 帧格式：[标志F(0x7E)] [地址A(0xFF)] [控制C(0x03)] [协议] [信息] [FCS]。使用“字节填充法”（字符填充）实现透明传输。其核心是协议字段，用于标识信息字段中承载的是哪种协议的数据包，如IP（0x0021）、LCP（0xC021）或NCP（0x8021）。
- 工作流程：PPP连接建立和维护是一个复杂的过程，主要通过链路控制协议（LCP）和网络控制协议（NCP）完成。
  - 链路建立阶段：通过LCP帧协商链路参数（如最大帧长、认证方式等）。
  - 认证阶段（可选）：通过密码验证协议（PAP）或挑战握手验证协议（CHAP）进行身份验证。
  - 网络层协议阶段：通过NCP为上层网络协议（如IP）协商参数（如分配IP地址）。
  - 数据传输阶段：传输IP数据报等。
  - 链路终止阶段：通过LCP关闭链路。
HDLC vs. PPP 对比

特性	HDLC	PPP
导向	面向比特	面向字节
透明传输	比特填充	字节填充
可靠性	提供可靠传输（通过编号和确认）	不提供可靠传输（仅检错）
多协议支持	不支持	支持（通过协议字段）
认证	不支持	支持（PAP, CHAP）
应用	传统串行链路	现代拨号、专线、ADSL等