计算机网络数据链路层全攻略：从帧到差错控制的深度解读！！！

一、数据链路层的功能

数据链路层 使用 物理层 提供的“比特传输”服务

数据链路层 为 网络层 提供服务，将网络层的IP 数据报(分组)封装成 帧，传输给下一个相邻结点

物理链路：传输介质(0 层)+物理层(1层)实现了相邻结点之间的“物理链路”

逻辑链路：数据链路层需要基于“物理链路”，实现相邻结点之间逻辑上无差错的“数据链路(逻辑链路)”

二、组帧(封装成帧)

主要问题:

• 帧定界：如何让接收方能够确定帧的界限
• 透明传输：接收方要能够去除"帧定界”的附加信息，把帧"恢复原貌"

四种组帧方法:

1. 字符计数法
2. 字节填充法
3. 零比特填充法
4. 违规编码法

字符计数法

原理：在每个帧开头，用一个定长计数字段表示帧长

最大缺点：任何一个计数字段出错，都会导致后续所有无法定界

字节填充法

原理:

• 会在帧的开头加上 SOH 控制字符，帧的结尾加上 EOT 控制字符
• 如果帧的数据部分包含“特殊字符”，则发送方需要在这些“特殊字符”前填充“转义字符ESC”
• (接收方要做逆处理)

在帧的开头和末尾加上控制字符，若数据部分包含控制字符或转义字符，在其前面加转义字符

零比特填充法

原理:

• 会在帧的开头和结尾加上特殊比特串表示帧开始/结束
• 发送方需要对帧的数据部分进行处理，每当遇到连续5个1，就填充一个0
• 接受方需要对帧的数据部分进行逆处理，每当遇到连续5个1，就删掉后面的 0

注:HDLC 协议、PPP 协议使用此方法

违规编码法

原理:

• 曼彻斯特编码:上跳0下跳1看中间，中必变，如果周期中间不跳变，则“违规
• 在帧的开始和结尾处加上违规的曼彻斯特编码

三、差错控制

目标：发现并解决一个帧内部的"位错"

解决方案一：接收方发现比特错后丢弃帧，并通知发送方重传帧

检错编码：

• 奇偶校验
• CRC 校验(循环冗余校验)

解决方案二：由接收方发现并纠正比特错误

纠错编码：海明校验码

奇偶校验

概念：

信息位(有效数据)：指帧的"数据部分

校验位(冗余位)：即为了给帧的"数据部分"检错/纠错而附加的一些冗余比特

校验原理：

• 在信息位的首部或尾部添加一个校验位
• 奇校验码：整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为奇数。
• 偶校验码：整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为偶数。
• 奇偶校验码仅能检测出奇数位错误，无纠错能力

循环冗余校验码(CRC)

循环冗余校验码的思想：

• 数据发送方、接受方约定一个“除数”
• K 个信息位+R 个校验位作为“被除数”，添加校验位后需保证除法的余数为 0
• 收到数据后，进行除法检查余数是否为0若余数非0说明出错，则进行重传或纠错

理论上可以证明循环冗余校验码的检错能力有以下特点:

• 可检测出所有奇数个错误
• 可检测出所有双比特的错误
• 可检测出所有小于等于校验位长度的连续错误

海明校验码(纠错编码)

奇校验码：整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为奇数。

偶校验码：整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为偶数。

偶校验：1010->01010，能发现奇数位错误，但无法确定是哪一位出错。

1 个校验位之只能携带 2种状态信息(对/错)

海明码设计思路：将信息位分组进行偶校验->多个校验位一>多个校验位标注出错位置

多个校验位能携带多种状态信息，(对/错，错在哪)