3.计算机网络的链路层

1.数据链路层概述

链路（Link）是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点。

• 数据链路（Data Link）是基于链路的。当在一条链路上传送数据时，除需要链路本身，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
• 不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的
  • 广播信道：CSMA/CD协议（比如同轴电缆、集线器等组成的网络）
  • 点对点信道：PPP协议（比如2个路由器之间的信道）

• 计算机中的网络适配器（俗称网卡）和其相应的软件驱动程序就实现了这些协议。一般的网络适配 器都包含了物理层和数据链路层这两层的功能

  2. 数据链路层的三个问题

  2.1. 封装成帧

• 帧（Frame）的数据部分，就是网络层传递下来的数据包（IP数据包，Packet）

• 最⼤传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）
  • 每一种数据链路层协议都规定了所能传送的帧数据长度上限
  • 以太网的MTU为1500字节
• 以太网V2的MAC帧

• PPP帧

• 封装成帧是指数据链路层给上层交付下来的协议数据单元PDU添加一个首部和一个尾部，使之成为帧。
  • 帧的首部和尾部中包含有一些重要的控制信息。
  • 帧首部和尾部的作用之一就是帧定界。
  • 并不是每一种数据链路层协议的帧都包含有帧定界标志。

2.2. 透明传输

• 透明传输是指数据链路层对上层交付下来的协议数据单元PDU没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样。
  • 面向字节的物理链路使用字节填充的方法实现透明传输。

• 面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输。

2.3. 差错检测

• FCS是根据数据部分 + 首部计算得出的

2.4. CRC循环冗余校验

• 数据链路层广泛使用漏检率极低的循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）检错技术。
• 基本思想：
  • 收发双方约定好一个生成多项式G(X)。
  • 发送方基于待发送的数据和生成多项式G(X)，计算出差错检测码（冗余码），将冗余码添加到 待发送数据的后面一起传输。
  • 接收方收到数据和冗余码后，通过生成多项式G(X)来计算收到的数据和冗余码是否产生了误 码。
• 发送方CRC操作

• 接收方CRC操作

3. Ethernet V2标准

• 以太网帧的格式有
  • Ethernet V2标准 （使用最多）
  • IEEE的802.3标准
• 为了能够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
• 用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD协议，它传输的帧依然是以太网帧

3.1. Ethernet V2帧格式

• 格式说明

  • 首部：目标MAC + 源MAC + 网络类型
  • 以太网帧：首部 + 数据 + FCS
  • 数据的长度至少是：64 - 6 - 6 - 2 - 4 = 46字节

    3.2. Ethernet V2帧长度标准

• 当数据部分的长度小于46字节时

  • 数据链路层会在数据的后面加⼊一些字节填充
  • 接收端会将添加的字节去掉
• 长度总结
  • 以太网帧的数据长度：46 ~ 1500字节
  • 以太网帧的长度：64 ~ 1518字节

3.3. 以太网MAC帧协议

• 接收方可能收到的无效MAC帧包括以下几种：
  • MAC帧的长度不是整数个字节
  • 通过MAC帧的FCS字段的值检测出帧有误码
  • MAC帧的长度不在64 ~ 1518字节之间
• 接收方收到无效的MAC帧时，就简单将其丢弃，以太网的数据链路层没有重传机制。

4. PPP协议

• 标志（Flag）字段：PPP帧的定界符，取值为0x7E。
• 地址（Address）字段：取值为0xFF，预留（目前没有什么作用）。
• 控制（Control）字段：取值为0x03，预留（目前没有什么作用）。
• 协议（Protocol）字段：其值用来指明帧的数据载荷应向上交付给哪个协议处理。