数据链路层（一）

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

一、使用点对点信道的数据链路层

• 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。
• 帧(frame) 数据链路层的协议数据单元。数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接受到的帧中的数据取出并上交给网络层。
  数据链路层传送的是帧
  数据链路层在进行通信时的主要步骤：
  （1）封装成帧，结点A的数据链路层将IP数据报添加首尾部封装成帧
  （2）透明传输，结点A将封装好的帧发送给结点B的数据链路层
  （3）差错控制，若结点B检测收到的帧无差错，则提取数据包，否则丢弃帧

封装成帧

数据链路层使用物理层提供的服务来传输一个一个帧。物理层将收到的数据以比特流的形式传输。为了使链路层的接收方能以帧为单位处理接收的数据，必须正确识别每个帧的开始与结束，即进行帧定界
考虑到差错控制等多钟因素，每一种链路层协议都规定了帧的数据部分长度上限，即最大传送单元(Maximum Transfer Unit, MTU)

透明传输

当物理链路提供的是面向字符的传输服务时（物理链路以字符为单位传输数据），帧定界可以使用某个特殊的不可打印的控制字符作为帧定界符。ASCⅡ码是7位编码，一共可以组成128个不同的ASCⅡ码，其中可以打印的95个，不可打印的控制字符33个。
由于帧定界符使用专门的控制字符，因此传输的数据不能出现这些控制字符，否则会出现帧定界错误。在传输文本文件时没有问题，但涉及图片媒体等文件可能会出现这类字符。帧开始符SOH，帧结束符EOT

解决透明传输问题：
1.发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
2.字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
3.如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
用字节填充法解决透明传输的问题
零比特填充法

差错检测

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)
误码率与信噪比有很大的关系。如果设法提高信噪比，就可以使误码率减小。由于实际通信链路非理想，误码率不可能下降为零。
为了保证数据传输的可靠性（接受的数据是正确的），在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 但它们最基本的原理是一样的，如图为利用差错检测码(Error-Dectecting Code, EDC)实现差错检测的基本原理。
差错检测不是100%可靠！ 1、可能漏掉某些差错，但是非常少。2、较大的EDC字段通常有更好的检测性能
常用的检错码：1、奇偶校验码（垂直奇（偶）校验、水平奇（偶）校验水平、垂直奇（偶）校验（方阵码） ）；2、循环冗余编码CRC

差错检测的基本原理
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC的检错技术。

1. 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
2. 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。
3. 用二进制的模 2 运算进行 2^n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
4. 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

冗余码的计算举例：现在 k = 6, M = 101001；设 n = 3, 除数 P = 1101
被除数是 M×2^n= 101001000。
模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001。
把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R
即：101001001，共 (k + n) 位。

循环冗余检验的原理说明
在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。
1、CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
2、FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

丢弃：对有差错的帧就丢弃而不接受
无差错接受：凡是接受的帧，我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错

可靠传输：发送什么就收到什么
无论虽然物理链路会出现差错，但数据链路层为上层提供无差错的传输服务，
即：无差错、无丢失、无重复、无失序

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验
(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。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。
注意：
仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。
“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
但要做到“可靠传输”，就必须再加上确认和重传机制。

标准CRC生成多项式G（x）

二、点对点协议 PPP

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

PPP 协议应满足的需求

• 简单——这是首要的要求
  接受方每收到一个帧，就进行 CRC 检验。如果 CRC 检验正确，就收下这个帧；反之，就丢弃这个帧。使用 PPP 的数据链路层向上不提供可靠传输服务，如需可靠传输，则由运输层来完成。
• 封装成帧
• 透明性
• 多种网络层协议
• 多种类型链路
• 差错检测
• 检测连接状态
• 最大传送单元
• 网络层地址协商
• 数据压缩协商

PPP 协议不需要的功能

• 纠错
• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工或单工链路

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
1、在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
2、在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
3、帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

PPP 协议的组成

1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。
PPP 协议有三个组成部分
1、一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
PPP支持面向字符的异步链路（无奇偶检验的8位比特数据）和面向比特的同步链路。
2、链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
3、网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

PPP 协议的帧格式

• 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110），标志字段就是PPP帧的定界符。
• 地址字段 A 规定为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
• 控制字段 C 通常置为 0x03，也没有实际作用。
• 协议字段占2字节，当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报，若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制协议LCP的分组，而0x8021表示网络控制协议NCP的分组。

PPP 协议的帧格式

透明传输问题

• 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC 的做法一样）
  1、PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
  2、在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除
• 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
  1、将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。
  2、若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。
  3、若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

PPP 协议的工作状态

• 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
• PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
• 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
• 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。