一、数据链路层概述

1.基本概念

链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

• 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路 (data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若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。

• 现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。
• 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

2.数据链路层要解决的问题

数据链路层传送的是帧

二、帧与成帧

1.数据帧的基本格式

数据帧是数据链路层的协议数据单元，用于在节点之间传递特定的信息（如数据信息、控制信息等），以实现数据链路层的各种功能机制。

2.帧的定界

所谓帧定界,是指标识帧的开始与结束，以区分帧的边界。
常用的帧定界方法有以下四种：

• 字符计数法
• 带字符填充的首尾界符法
• 带位填充的首尾标志法
• 物理层编码违例法

三、差错控制

差错是指接收端收到的数据与发送端发送的数据不一致的现象，其原因是传输线路上的噪声和干扰。差错是不可能避免的！
差错控制的主要作用是发现数据传输中的错误，并采取相应的措施解决或减少数据传输错误。
差错控制的核心是基于传输数据增加具有极强关联性的冗余码，又叫做检验码或FCS。

1.奇偶校验码

奇偶校验的规则是，在原数据位后附加一个校验位，将其值置位“0”或“1”，使附加改位后的整个数据码中“1”的个数成为奇数或偶数。

• 使用奇数个“1”的校验方案称为奇校验：
  水平奇偶校验
  垂直奇偶校验
  水平垂直奇偶校验
• 使用偶数个“1”的校验方案称为偶校验。

2.循环冗余校验码

CRC用到以下三种模2运算
模2除法（按位异或），运算规则：
0 – 0 → 0
0 – 1 → 1
1 – 0 → 1
1 – 1 → 0
当余数位数与除数位数相同时，才进行异或运算，余数首位是1，商就是1，余数首位是0，商就是0。

CRC校验需要在双方事先约定好一个N阶的二进制常数（即生成多项式），将其作为CRC计算中的除数，如5阶常数“110101”。
CRC码计算方法（模2除法）：“N位余数”就是所需要的CRC校验码。

CRC码计算实例：
发送端：1010001101/110101→01110
接收端：101000110101110/110101→0

在接收端对收到的每一帧经过CRC检验后，有以下两种情况：
(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）。
(2)若余数R≠0,则判定这个帧有差错，就丢弃。

列入国际标准的常见生成多项式有：
CRC-12：G(x)=x12+x11+x3 +x2+x+1
CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1
CRC-32：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11
+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

四、数据链路层所提供的基本服务

1.不确认的无连接服务

• 在帧传输时不需要事先建立连接和事后释放连接；
• 源机器向目标机器发送独立的数据帧，而目的机器不对收到的帧作确认；
• 因线路噪声而造成的帧丢失，数据链路层不作努力去恢复，而将该工作留给上层；
• 相应的协议设计与实现比较简单；
• 适用于误码率较低的信道，如大多数的有线局域网中。

2.有确认的无连接服务

• 事先不存在建立连接，事后也不存在释放；
• 源机器向目标机器发送独立的数据帧，并对每一帧进行编号，目的机器对收到的每一帧作确认；
• 若某个确定的时间间隔内未能收到确认帧，则发送方自动超时重发；
• 其协议设计与实现较不确认的无连接服务复杂；
• 适用于无线通信系统之类的不可靠信道。

3.确认的面向连接的服务

• 传送数据前，事先需要建立连接；
• 为所传送的每一帧都编上号，提供相应的确认和流量控制机制来保证每一帧都只被正确地接收一次，并保证所有帧都按正确的顺序被接收；
• 数据传输完成之后，释放所建立的连接；
• 真正为网络层提供了可靠的无差错传输服务；
• 协议的实现复杂度及实现代价相对最高；
• 适用于误码率较高的不可靠信道，如某些基于铜传输介质的广域网链路。

五、数据链路层设备与组件

数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层和数据链路层功能的设备与组件。

• 数据链路层的网络组件：网卡
• 数据链路层的网络互连设备：网桥；交换机

1.网卡

2.网桥

网桥也称桥接器，是工作在数据链路层的一种网络互连设备，可实现两个或多个LAN的互联。
网桥主要功能包括：

• 物理上扩展网络
• 基于第二层地址的数据过滤
• 逻辑上划分网络
• 数据推进功能：存储转发
• 帧格式转换

3.交换机

交换机也工作在数据链路层，由网桥发展而来，是一种多端口的网桥，通过在内部配备大容量的交换式背板实现高速数据交换。

4.交换机与网桥的比较：

• 相同之处：均为OSI第二层的网络互连设备。交换机作为多端口网桥，具备了网桥所拥有的全部功能。
• 不同之处：
  交换机可以提供高密度的连接端口；
  交换机基于交换背板的虚电路连接方式，可为每个交换机端口提供更高的专用带宽；
  数据转发基于硬件实现，较网桥采用软件实现数据的存储转发具有更高的交换速率

最后

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