夯实基础 --- 计算机网络链路层（一）

下面我们把关注点放在数据链路层，如果没有数据链路层，计算机网络也就不复存在；这就好比大楼没有了地基，人没有了腿；所以，数据链路层的知识也固然重要，不少小伙伴只把关注点放在 TCP 和 IP 这两个协议上，这是一种狭隘的思想，需要及时纠正，计算机网络可不只有 TCP 和 IP。下面我就和你聊聊计算机中的数据链路层。

数据链路层

数据链路层属于计算机网络中的底层，一听数据链路，顾名思义就是数据走过的路径，着重点放在路径上，这个路径也被称为信道，一般来说，数据链路层使用的信道有两种。

1. 点对点信道：这种信道使用一对一数据传输的信道。
2. 广播信道：这种信道使用一对多数据传输的信道。

数据链路层，按照 OSI 七层模型来划分的话，就属于物理层的上层

数据链路层是一种协议层，它有很多协议。数据链路层用于跨物理层在网段节点之间传输数据，通常指以太网、无线局域网等通信手段。数据链路层提供了在网络的两个实体之间传输数据的功能，并且提供了差错检测用于纠正物理层中发生的错误。

关键概念

在数据链路层中，链路层地址有很多中不同的称谓：LAN 地址、物理地址或者 MAC 地址，因为 MAC 地址是最流行的术语，所以我们一般称呼链路层地址指的就是 MAC 地址。

下面我们就来认识一下数据链路层的几个关键概念。

打包成帧

打包成帧(framing): 有的书中称为封装成帧，概念其实是一样的。每个数据报在传输之前，链路层协议都会在一段数据的前后添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。帧是数据链路层的传输单元。

一个帧的帧长等于帧的数据部分（Payload Field）加上帧首部（Header）和帧尾部（Trailer）长度。首部和尾部的主要功能就是用于帧定界，在发送帧时，会从帧首进行发送，所以为了提高传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能大于首部和尾部的长度。但是这个长度也不是没有边界的，链路层也规定了一个数据部分的上限，即最大传输单元（MTU, Maximum Transfer Unit）。

帧定界符还有一个非常重要的作用就是它能够被检测出来是否是一个完整的帧，如果不是一个完整的帧，必须丢弃。

如果帧太大的话，数据链路层会将大帧拆分为一个个的小帧，这些小帧能够使传输控制和错误检测更加高效。

帧就是 0 1 序列的封装。

网络层数据报就封装在Payload Field字段中。根据不同的物理介质，每个帧的结构也不同。帧的组成如下。

帧中主要涉及的内容如下。

1. 帧头(Frame header)：它包含帧的源地址和目的地址。
2. 有效载荷(Payload Field)：它包含要传递的数据和信息。
3. 尾部标记(Trailer)：它包含错误检测和错误纠正位。
4. 标记(Flag)：它标记了帧的开始和结束。

Flag 位位于帧的开头和结尾，两个连续的标志指示帧的结束和开始。

帧的类型主要有两种，固定大小的帧和可变大小的帧。

1. 固定大小的帧(Fixed-sized Framing)：表示帧的大小是固定的，帧的长度充当帧的边界，因此它不需要额外的边界位来标识帧的开始和结束。

1. 可变大小的帧(Sized Framing)：表示每个真的大小是不固定的，因此保留了其他机制来标记一帧的结束和下一帧的开始。它通常用于局域网，在可变大小的帧中定义帧定界符的两种方法是。
2. 长度字段(Length Field): 使用长度字段来确定帧的大小。它用于以太网（IEEE 802.3）。
3. 结束定界符(End Delimiter): 经常用于令牌环。

透明传输

透明传输指的是不论什么样的字符组合，都应该能够在链路上传输，当传输数据的比特组合恰巧和某些控制信息完全一样时，需要采取措施包装一下这些比特组合，从而使接收方不会误判比特组合为控制信息。这样才能够保证链路上的传输是透明的。经常采取的转换方法是使用转义字符 ESC。

链路接入

链路接入主要指的是 MAC 协议，MAC(Medium Access Control) 协议规定了帧在链路上的传输规则。我们知道，数据链路层是 OSI 标准模型的第二层，它还能够向下分为 The logical link control (LLC) 层和The medium access control (MAC) 层。

LLC 层又叫做逻辑控制链路层，主要用于数据传输，它充当网络层和数据链路层中的媒体访问控制（MAC）子层之间的接口。LLC 层的主要功能如下

1. LLC 的主要功能是发送时在 MAC 层上多路复用协议，并在接收时同样地多路分解协议。
2. LLC 提供跳到跳的流和差错控制，像是路由器和路由器之间这种相邻节点的数据传输称为一跳。
3. 它允许通过计算机网络进行多点通信。

MAC 层负责传输介质的流控制和多路复用，它的主要功能如下

1. MAC 层为 LLC 和 OSI 网络的上层提供了物理层的抽象。
2. MAC 层负责封装帧，以便通过物理介质进行传输。
3. MAC 层负责解析源和目标地址。
4. MAC 层还负责在冲突的情况下执行冲突解决并启动重传。
5. MAC 层负责生成帧校验序列，从而有助于防止传输错误。

在 MAC 层中，有一个非常关键的概念就是 MAC 地址。MAC 地址主要用于识别数据链路中互联的节点，如下图所示

MAC 地址长 48 bit，在使用网卡(NIC)的情况下，MAC 地址一般都会烧入 ROM 中。因此，任何一个网卡的 MAC 地址都是唯一的。MAC 地址的结构如下。

MAC 地址中的 3 - 24 位表示厂商识别码，每个 NIC 厂商都有特定唯一的识别数字。25 - 48 位是厂商内部为识别每个网卡而用。因此，可以保证全世界不会有相同 MAC 地址的网卡。

MAC 地址也有例外情况，即 MAC 地址也会有重复的时候，比如你可以手动更改 MAC 地址。但是问题不大，只要两个 MAC 地址是属于不同的数据链路层就不会出现问题。

可靠交付

数据链路层提供的可靠交付更多指的是单端链路节点到节点地传送。当链路层协议提供可靠交付时，它能保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。链路层提供可靠交付的方法和 TCP 类似，也是使用了确认和重传机制。

链路层的可靠交付通常用于出错率很高的链路，例如无线链路，它的目的是在本地纠正出错的帧，而不是通过运输层或应用层协议强制进行端到端的数据传输。对于出错率较低的链路，比如光纤、同轴电缆和双绞线来说，链路层的交付开销是没有必要的，由于这个原因，这些链路通常不提供可靠的交付。

差错检测和纠正

链路层数据以帧的形式发送，在发送的过程中，接收方节点的链路层硬件可能会由于信号干扰或者电磁噪音等原因错误的把 1 识别为 0 ，0 识别为 1。这是一种很常见的现象，就比如你和你小女朋友在通电话时，旁边总有个讨厌鬼在插话，这样你有可能听不清楚你小女朋友讲的话，她说在咖啡馆见面，结果你跑到了宾馆，这就不好了。

运输层和网络层通过因特网校验和来实现差错检测，目前在数据链路层广泛使用了循环冗余校验（CRC）的检测技术。

链路层的差错检测通常更复杂，并且用硬件实现。差错纠正类似于差错检测，区别在于接收方不仅能检测帧中出现的比特差错，而且能够准确的确定帧中出现差错的位置。

差错检测和纠正的技术主要有。

1. 奇偶校验：它主要用来差错检测和纠正。
2. 校验和：这是一种用于运输层检验的方法。
3. 循环冗余校验：它更多应用于适配器中的链路层。

地址映射

因为存在网络层地址（IP 地址）和 数据链路层地址（MAC 地址），所以需要在它们之间进行转换和映射，这就是地址解析协议所做的工作，更多关于地址解析协议的理解，请查阅作者写的 ARP 地址解析协议相关知识。

数据链路层的作用

数据链路层中的协议定义了互联网络的两个设备之间传输数据的规范。数据链路层需要以通信介质作为传输载体，通信媒介包含双绞铜线、光纤、电波等红外装置。在数据分发装置上有 交换机、网桥、中继器 等中转数据。链路层中的任何设备又被称为节点(node)，而沿着通信路径相邻节点之间的通信信道被称为链路(link)。

实际上，在链路层上传输数据的过程中，链路层和物理层都在发挥作用。因为在计算机中，信息是以 0 1 这种二进制的形式进行传输，而实际的链路通信却是以电压的高低、光的闪灭以及电波的频谱来进行的。物理层的作用就是把二进制转换成为链路传输所需要的信息来进行传输。数据链路层传输也不只是单个的 0 1 序列，它们通常是以帧为单位进行的。

现在我们知道了数据链路层大概是干啥的，那么只有理论不行，你还得有硬通货，也就是硬件，一切的理论都离不开硬件的支撑。