3.1 使用点对点信道的数据链路层

思维导图：

由于之前的博客笔记太烂了因此在2023/11/26日重写 

第3章：数据链路层

1. 概述

• 层级位置：数据链路层是计算机网络的低层部分。
• 作用：负责在同一局域网内主机间的数据传输，不涉及跨网络传输。

2. 信道类型

• 点对点信道：一对一通信方式。
• 广播信道：一对多通信方式，用于连接多台主机，需要共享信道协议。

3. 局域网

• 位置：数据链路层，不属于网络层。
• 功能：处理局域网内的主机间数据传输，不经过路由器。

4. 主要协议

• 点对点协议（PPP）：用于点对点信道。
• CSMA/CD协议：用于广播信道的共享控制。

5. 数据链路层问题

• 封装成帧：数据封装进入帧结构。
• 透明传输：确保数据的无误传输。
• 差错检测：检测传输过程中的错误。

6. 硬件和应用

• 以太网MAC层地址：标识网络硬件。
• 设备作用：适配器、转发器、集线器、网桥、交换机等在数据链路层的应用。

7. 通信流程（图3-1, 3-2）

• 路径：H₁ → R₁ → R₂ → R₃ → H₂。
• 协议栈：数据在不同层级（物理层、链路层、网络层）的流动。
• 数据链路层视角：关注水平方向的数据流动。

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1 数据链路和帧

• 链路与数据链路的区别

  • 链路 (Link): 物理线路，无交换结点，仅作为路径组成部分。
  • 数据链路 (Data Link): 包括链路和必要的通信协议，通过网络适配器实现。

• 物理链路与逻辑链路

  • 物理链路: 传统链路，纯物理连接。
  • 逻辑链路: 数据链路，包括物理链路和通信协议。

• 协议与规程

  • 数据链路层中，早期的通信协议称为通信规程，目前这两者是同义词。

• 帧的定义和功能

  • 在点对点信道中，数据链路层通过帧进行数据传输。
  • 帧的作用：封装网络层的IP数据报，传输数据，并在接收端提取数据报。

3.1.2 通信过程

• 主要步骤

  1. 封装数据报：结点A的数据链路层将IP数据报封装成帧，添加首部和尾部。
  2. 发送帧：结点A向结点B发送封装好的帧。
  3. 接收处理：结点B的数据链路层检查帧，无差错时提取IP数据报，否则丢弃。

• 数据链路层与物理层

  • 数据链路层不涉及物理层的比特传输细节。
  • 通信可视为数据链路层之间水平方向的帧传输。

3.1.3 模型简化

• 三层模型：网络层、数据链路层、物理层，便于理解点对点信道中的数据传输。

3.1.2 三个基本问题

1. 封装成帧 (Framing)

• 目的：在数据前后添加首部和尾部，形成帧。
• 帧定界：首部和尾部标记帧的开始和结束，重要于帧边界识别。
• 帧的组成：首部 + 数据部分 (如IP数据报) + 尾部。
• 帧长度：数据部分长度 + 首部和尾部长度。
• 最大传送单元 (MTU)：定义可传送帧数据部分的最大长度。

2. 透明传输 (Transparent Transmission)

• 定义：确保数据链路层传输任何数据序列时不会被错误解释。
• 问题：控制字符（如SOH、EOT）与数据冲突。
• 解决方案：字节填充（byte stuffing），使用特殊字符（如ESC）来避免冲突。

3. 差错检测 (Error Detection)

• 比特差错：传输中1变0或0变1。
• 误码率 (BER)：传输错误的比特与总比特的比率。
• 循环冗余检验 (CRC)：在数据后添加冗余码进行差错检测。
• 帧检验序列 (FCS)：冗余码，附加在数据后以检测错误。
• 处理：在接收端使用CRC检验，检查余数来确定帧是否有错误。

附加说明

• 可靠传输：OSI模型中，数据链路层原本需要提供可靠传输，即确保数据完整准确传输。但现代互联网对有线和无线传输链路采取不同策略：
  • 有线传输：数据链路层不提供可靠传输，差错修正由上层（如TCP）处理。
  • 无线传输：数据链路层提供可靠传输，使用确认和重传机制。

 总结：

重点

1. 封装成帧

   • 定义：数据前后加首尾部形成帧。
   • 重要性：帧定界，即识别帧的开始与结束。

2. 透明传输

   • 意义：任何数据序列在传输过程中不被错误解释。
   • 实现方法：字节填充，使用转义字符避免控制字符冲突。

3. 差错检测

   • 主要形式：循环冗余检验（CRC）。
   • 实施：在数据后添加冗余码（FCS），在接收端进行CRC检验。

难点

1. 透明传输的实现：

   • 理解字节填充的过程和目的。
   • 区分数据与控制字符，避免解释冲突。

2. CRC的原理与应用：

   • 理解CRC的计算过程。
   • 了解不同CRC标准的应用场景。

易错点

1. 帧的构造：

   • 容易混淆帧的数据部分和整个帧的结构。
   • 首部和尾部的作用和重要性。

2. 透明传输中的数据解释：

   • 忽略数据中的控制字符可能导致错误的帧定界。

3. 差错检测的误解：

   • 将CRC误解为错误修正而非仅为错误检测。
   • 误认为所有帧的接收都意味着无差错传输。

这一节的内容对理解数据链路层的基本功能和协议至关重要，尤其是在数据格式化、传输过程的透明性和差错检测机制方面。理解这些概念对深入学习网络协议和网络通信的更高层面至关重要。