※數據鏈路層討論什麽

　　數據鏈路層討論的是局域網中主機與主機間的連接問題，網絡（IP）層討論的主要是網絡與網絡互連的問題。

　　在數據鏈路層（局域網）使用的信道主要有兩種：點對點信道和廣播信道，我們具體要討論的就是這兩個信道的特點，以及它們所使用的協議的特點。但在討論過程中，我們會先討論數據鏈路層的三個基本問題，然後再討論點對點信道、廣播信道。此外我們還會討論一些些額外知識。

　　數據鏈路是什麽意思？

　　“鏈路”指的是兩個結點間的物理線路（有線或無線），中間沒有其它結點，而“數據鏈路”則是指鏈路與其實現協議的硬軟件的整體。

　　數據鏈路層的工作是什麽？

　　將網絡層

　　※數據鏈路層的三個基本問題

　　數據鏈路層也有多種協議（比如點對點信道和廣播信道就有不同的協議），但都需要解決三個基本問題：

　　1.如何封裝成幀 2.如何實現“透明傳輸” 3.如何進行差錯檢測

　　如何封裝成幀？

　　為網絡層的數據（IP數據報）加上首部和尾部即可封裝成幀，首部和尾部根據不同的協議會帶有不同的控制信息。

　　但即使在不同的協議中，首部和尾部都必須有“幀定界符”來確定一個幀的範圍。（因為幀的數據部分長度不是固定的，所以整個幀的長度也是不固定的）

　　舉例來說，我們以00000001作為幀的起始定界符（SOH，start of header），00000100作為幀的結束定界符（EOT，end of transmission），那麽當接收方收到SOH時就知道一個幀開始了，而收到EOT時則知道一個幀結束了，如果發送方未發送完就中斷了，然後重新發送，接收方也會因為接受到兩個SOH（中間沒接收到EOT）而確定第二個SOH前面的數據應該丟棄。

　　什麽是“透明傳輸”，如何實現？

　　“透明”即“實際存在的事物卻看不到”

　　數據鏈路層的幀定界符會阻礙數據的傳輸。假定00000001表示SOH，00000100表示EOT，那麽幀的數據部分（IP數據報）就不能出現00000001和00000100，否則就會使得數據鏈路層的傳輸出錯。而“透明傳輸”就是要實現“雖然存在SOH和EOT這兩個阻礙，但要讓數據‘

看不出’有這倆個阻礙”，也就是通過技術手段讓IP數據報可以出現SOH和EOT而不影響數據鏈路層的傳輸。

　　實現“透明傳輸”的方法之一就是利用“轉義字符”（ESC）來進行字節填充，例如假設ESC為00110000，那麽當幀的數據部分出現了SOH或EOT時，只需要在“封裝幀”時，在SOH或EOT前面加上00110000即可讓接收方明白“這裏不是幀定界符而是數據本身”。

　　那麽當數據中出現了“轉義字符”又該怎麽辦？

　　通過連續的兩個ESC來表示，比如數據中出現了轉義字符00110000，那麽封裝成幀時，在00110000前再加上00110000即可。

　　如何進行差錯檢測？

　　首先需要明白的是，數據鏈路層的差錯檢測只負責“位差錯”的檢測，而不負責“幀差錯”的檢測（僅限於通信質量良好的線路，如果通信質量較差則會采用確認-重傳機制）。

　　所謂“位差錯”即幀當中的某些位出了差錯，比如發送的1接收時為0或者發送的0接收時為1.

　　“幀差錯”則是指接收方出現了“幀丟失”，“幀重復”或“幀失序”的情況，比如一個IP數據報被分為了幀1，幀2和幀3，但傳輸過後，接收方只接受到幀1和幀3（丟失幀2），或者接收方接受到了幀1，幀2，幀2，幀3（幀2重復），或者接受到的是幀2，幀1，幀3（失序）

　　目前數據鏈路層廣泛采用的是循環冗余檢驗技術（CRC，實現方法略），將CRC計算所得的冗余碼加在幀數據部分的尾部（幀檢驗序列FCS）

　　什麽是PPP協議？

　　PPP即Point-to-Point Protocol，是目前使用最廣泛的用於點對點鏈路的數據鏈路層協議。（用戶計算機和ISP之間就是采用PPP協議）

　　PPP協議有什麽特點？

　　1.簡單，不需要糾錯（只檢錯），不需要序號（不管幀差錯），接收方收到一個幀就進行CRC檢驗，正確就收下，出錯就扔掉，不需要做其他事情。

　　2.封裝成幀 3.透明性 4.差錯檢測

　　5.支持多種鏈路和多種網絡層協議

　　6.負責檢查連接狀態

　　7.對數據部分有最大傳輸單元（Max Transmission Unit，MTU）的限定

　　8.允許雙方“協商”部分事宜（網絡層地址，數據壓縮方式）

　　※簡單來說，PPP協議由以下三部分組成

　　1.封裝IP數據包的方法（MTU，透明性，差錯檢測等均在內）

　　2.建立、配置、測試數據鏈路鏈接的鏈路控制協議LCP（Link Control Protocol）

　　3.負責支持不同網絡層協議的一套網絡控制協議NCP（Network Control Protocol）

　　PPP協議中的幀是怎樣的？

　　PPP幀的首部有4個部分，尾部有2個部分

　　首部的4個部分分別是F段，A段，C段和協議段

　　F段即Flag段，也就是幀定界符，表示幀的開始與結束（尾部表示結束的也是F段，兩者均為0x7E）

　　A段和C段在最初時是準備給以後的某種應用的，但目前為止還沒有用上，所以兩者一直是0xFF和0x03

　　協議段的內容決定了“幀的信息部分是什麽”，如果協議段為0x0021，則信息部分為IP數據報，如果協議段為0xC021，則信息部分為鏈路控制協議LCP的數據，如果協議段為0x8021則信息部分為網絡層的控制數據（網絡控制協議NCP）

　　尾部的2個部分分別是幀檢驗序列FCS和幀定界符F段（與首部的相同）

　　※PPP實現透明傳輸的方式有兩種，一種是通過之前所說的字節填充（“轉義字符”）來實現（具體實現方式略），另一種則是“零比特填充”。

　　字節填充方式在PPP中主要適用於異步傳輸的情況（數據並不是從第一個位到最後一個位一次性傳輸完畢的，比如出現信道時分復用的情況）

　　當同步傳輸時，PPP采用零比特填充的方式。PPP中的幀定界符為0x7E，也就是1111110。所以我們可以通過以下方式來避免數據部分出現1111110：

　　發送方每當數據部分出現連續的5個1，即11111時，就在其後加一個0。接收方則每當遇到11111，就去掉其後的一個0

　　使用PPP協議的鏈路的工作狀態大概是怎樣的？

　　按步驟來說，大致如下：

　　1.雙方沒有連接（包括物理層，但實際上來說雙方有線路相連）

　　2.雙方建立物理層連接（比如用戶通過調制解調器呼叫ISP的路由器）

　　3.雙方通過發送LCP的配置請求幀來協商鏈路配置（協商結束後即建立好LCP鏈路）

　　4.鑒別（可選，用於確認對方身份等用途）

　　5.雙方根據網絡層使用的協議，選擇NCP中對應的支持協議進行配置（比如網絡層使用IP協議，則分配IP地址等）

　　什麽是“廣播信道”？

　　廣播信道即可以進行一對多通信的信道，信道上一個主機發出的信息可以被多個主機接收，因而叫廣播信道，一般使用廣播信道的為局域網。

　　什麽是以太網？

　　以太網就是一種局域網，在共享信道技術上采用了“隨機接入”方式，早期為總線網（上圖），以太是一種假想的用於傳播電磁波的介質，將總線局域網命名為以太網並無特殊含義。

　　什麽是“隨機接入”？

　　在第二章中我們提過一些信道復用技術，比如頻分復用、時分復用，只要信道上的用戶分配到了信道就可以實現共享信道，這類方法其實是“靜態劃分信道”，一旦劃分完畢就不便更改，不適用於局域網。因此局域網必須采用“動態媒體接入控制”。

　　“動態媒體接入控制”的特點是不將信道固定的分配給用戶，其又分為“隨機接入”和“受控接入”兩種。

　　隨機接入中用戶可隨時發送信息，但如果信道中同時有多個用戶發送消息則必須發生“碰撞”，令他們全部發送失敗，然後再解決（後面討論）。

　　受控接入則是用戶不可隨時發送信息，必須受到控制，受控接入的實現方法之一類似於計算機內部總線的輪詢。

　　※隨機接入即以太網所采用的方式，目前來說大部分局域網都是以太網，因此以太網與局域網基本同義，討論廣播信道即討論局域網、以太網。

　　※以太網有兩個標準，分別是DIX Ethernet V2和IEEE 802.3，但目前TCP/IP體系中只剩下DIX Ethernet V2標準的以太網，所以很多廠商生產適配器也只配置了MAC協議（Medium Access Control）而沒有配置LLC協議（Logical Link Control）。

　　什麽是適配器？

　　適配器即通常所說的“網卡”，其功能包含數據鏈路層和物理層，比如實現串、並行的轉換，對數據的緩存，發送和接收幀等。

　　※計算機的硬件地址（MAC地址，之後討論）存儲在適配器的ROM中

　　計算機的軟件地址（IP地址）則存儲在計算機的存儲器中。

　　※雖然廣播信道上一臺主機發出的信息可以被所有主機所接收到，但並不是任何時候我們都希望進行廣播通信，所以如果信道上的主機有適配器，而適配器中又有唯一的硬件地址，那麽我們就可以通過在幀的首部寫明接收方的地址，在廣播信道上實現一對一的通信。

　　早期以太網的特點是？

　　1.采用總線結構（因為當時這種方法比較可靠）。因為采用總線結構，所以才會出現主機間的“碰撞”現象。現在的以太網通過以太網交換機可以避免“碰撞”的發生

　　2.采用靈活的無連接工作方式，即主機間不需要先建立連接就可直接發送信息。但總線上同一時間只能有一臺主機在發送消息，如果有多臺主機同時發送消息就會發生“碰撞”，為了解決碰撞，以太網采用了CSMA/CD協議（載波監聽多點接入/碰撞檢測協議）來處理“碰撞”

　　3.以太網中的數據采用曼徹斯特編碼方式，從而接收方可以從中提取同步信號。

　　什麽是CSMA/CD協議？

　　載波監聽多點接入/碰撞檢測協議中：

　　載波監聽其實就是“監聽載波”也就是“監測信道”，協議要求每個主機都必須不停的檢測信道，不論是發送前還是發送中途

　　多點接入就是指的總線結構

　　碰撞檢測也就是“邊發送邊監測”，當適配器發送數據的同時監測信號電壓的變化情況，從中判斷是否有其他主機也在發送數據，如果有則說明“碰撞”發生。

　　既然發送前已經確定沒有其他主機的信號，為什麽發送時還要繼續監測信道？

　　因為電磁波在信道中的傳輸需要時間（電磁波在1km電纜的傳播時間約為5微秒），有可能發送前信道中沒有信號，但開始發送後卻監測到信道中有其他主機之前發出的信號。

　　當發生碰撞時，CSAM/CD協議規定怎麽做？

　　首先，當發生碰撞時，主機應停止繼續發送幀。但並不能一等到信道空閑就重新發送，因為如果發生碰撞的主機都在監測信道，那麽大家都會發現信道空閑然後重新發送，就會再次發生碰撞。因此當碰撞發生後，必須經過一定時間才能再次發送信息，如何確定主機多久以後發送才是難點所在。以太網采用截斷二進制指數退避算法來確定主機重傳的時間。

　　截斷二進制指數退避算法是怎樣的？

　　首先需要了解一些前提知識：

　　在圖3.17中，主機A從發送數據開始到監測到碰撞最多需要2τ時間（稱為“爭用期”），也就是說主機A發送數據2τ時間（經過爭用期）後就可以確定自己不會被“打斷”。同理，一個以太網中必然存在最遠的兩臺主機，這兩臺主機間信號傳輸需要的時間記為τ，那麽整個以太網的爭用期也就是2τ。一般以太網規定爭用期時間為51.2微秒，也即τ=25.6微秒（這足夠電磁波傳送5km的電纜，對於以太網來說足夠了）。

　　在確定爭用期時間後，以太網中的主機每當發生碰撞，就從一個離散整數集[0,1,…,2^k-1]中隨機取一個數，其中k=Min[重傳次數，10]，將取出的數與爭用期時間相乘，即重傳的等待時間。比如第二次碰撞重傳時，k=2，集合為[0,1,2,3]，從中取一個隨機數乘以2τ，假設取出2，則等待4τ時間，然後重傳。

　　當重傳次數達到16次，就說明信道中需要發送數據的主機太多，則丟棄該幀並向上匯報。

　　使用本退避算法可以很好的起到“隨著重傳次數的增加，重傳推遲的平均時間也增加”的效果

　　※有一種特殊情況是某個主機發送了一個很短很短的幀，該幀發送完畢時依然沒有遇到碰撞，但卻在傳輸過程中發生了碰撞，此時接收方將收到有差錯的幀從而丟棄它，但發送方卻不知情從而不會重傳此幀。為了避免這種情況，以太網規定了幀的最低長度，如果要發送的數據真的很少，也必須加入一些填充字節來達到最低長度要求。

　　※強化碰撞即發送數據的主機在發送時遇上碰撞，此時不僅停止繼續發送數據，還要發送一些人為幹擾信號以告知所有用戶現在發生了碰撞。

計算機網絡（謝希仁版）——第三章導讀（1）