数据链路层的三个基本问题
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数据链路层的三个基本问题
1. 封装成帧
2. 透明传输
3. 差错检测

1. 封装成帧


①数据链路层将IP的数据报的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。但因该层的协议很多，不同协议的帧的首部和尾部信息所有不同。
②帧的首部和尾部有帧开始符和结束符，被称为帧定界符。
③每一种数据链路层协议都规定了所能传送帧的数据部分的长度上限——最大传输单元（MTU），以太网的MTU为1500个字节（指的是数据部分长度。注意，MTU不是越大越好，因为MTU越大意味着单个数据包，在线路质量较差的网络环境中，数据包中 bit位发生错误的概率也越大，丢包率会越高。同时MTU越大，传送一个数据包时延也越大，会影响其他计算机的通信从而造成用户体验差。因此，1500字节是一个折衷的结果）
2. 透明传输
①帧定界符：可以选用ASCII码表中的SOH(0x01)作为帧开始定界符，EOT(0x04)为帧结束定界符。
②如果数据部分出现“EOT”或“SOH”时要进行字节填充。（具体方法：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“EOT”、“SOH”以及“ESC”，则在前面插入一个转义字符“ESC”的编码。接收端的数据链路层在收到删除这个插入的转义字符。这样用字节填充法解决透明传输的问题）。

3. 差错检测


①现实的通信链路都不会是理想的，在传输过程中可能会产生差错。为了保证数据传输的可靠性，必须采用各种差错检验技术（如循环冗余检验，CRC）。
②要让接收端能够判断帧在传输过程中是否有差，需要在帧中包含用于检测错误的信息，这部分信息称为“帧校验序列（FCS）”
③以CRC技术为例计算FCS。假设要检测的数据为M=101001（注意，不仅包含帧的数据部分，还包含了数据链路层的首部），要想得到n位FCS。则计算过程如下：
A.要得到n位的FCS，则必须先在M后面添加n位（这里假设n为3）的0，得到被除数101001 000。再除以收发双方事先商定好的n+1位除数P（设为1101），得到商Q，余数R（n位，比除数少一位），这个R（001）就是要计算的FCS。
B.接收方收到后，会使用M和FCS合成一个二进制数（即101001001），再除以P（1101），如果余数为0，表示该帧没有差错。否则表示传输有差错，就会丢弃从而出现丢包现象（这个得由传输层的TCP协议通过丢包重传来实现可靠传输）

④帧检验序列FCS包含了帧的数据部分（来自网络层）和数据链路层的首部。这意味着，如果通信经过多条链路时，IP数据报的源和目标地址会被修改或者经过路由器时网络层首部的TTL（生存时间减1），这些会造成IP数据报的变化。而当通信由一条链路到下一条链路时由于协议不同，会造成数据链路层首部格式不同，帧开始和结束符也不同，这都需要将帧进行重新封装，重新计算FCS。幸运的是，这些都是由硬件完成的，处理速度很快，不会延误数据的传输。

       无论是TCP还是UDP, 最终还是封装成了IP包。

       我们知道， IP包的最大长度为65535个字节， 于是很多初学者会误解， 以为这65535字节的IP包数据， 是直接被数据链路层套上帧头和帧尾巴的。比如， 下图就容易让人产生一个极大的误解：



        这幅图的最大误人子弟之处在于：

        如果上层数据比较长， 是无法套在一个tcp头部之后的， 其他各层也有类似特点。   举个本文涉及到的例子， 网络层的数据如果过长， 是没法直接加载链路层上的， 需要将网络层的数据分片， 然后在数据链路层组装成多个帧（而不是一个）。

       下面， 我们来看看数据链路层（用以太网来举例）对上一层数据（网络层数据）长度的限制：



        可以看到， 在单个帧中， IP数据包必须小于1500字节，  这个1500就是MTU(max transmission unit)能达到的最大值,  它是数据链路层允许的最大IP包。

        回想下以前说的概念：

        UDP包头中， UDP整个包的最大长度是65535个字节， 但是IP数据包的最大值也是这个长度， 所以IP层允许的最大UDP包长绝对不能65535个字节（而应该是65535 - 20个字节）。

       同理， IP包的最大长度是65535个字节， 但是数据链路层允许的最大IP包， 绝对不能是65535个自己， 实际上远远小于这个数（如上图）。

        在本文中， 我们了解到， 实际上, MTU的定义就是：数据链路层允许的最大IP包长（其最大值是1500字节）。

OSI模型中的数据链路层与物理层，在TCP/IP协议中同属于网络接口层。

数据链路层为物理连接之间提供了可靠的数据传输。数据链路层主要解决3个问题：封装成帧、透明传输、差错检测。

封装成帧

“帧”是数据链路层中数据的基本单位，发送端在一段数据前后添加特定标记形成“帧”，接收端根据前后特定标记识别出“帧”。



帧首部和尾部是特定的控制字符（即：特定比特流），帧首部（SOH）使用00000001，帧尾部（EOT）使用00000100。

透明传输

假如帧数据中刚好存在帧首部、帧尾部的比特流，那该怎么处理呢？

下图的帧数据中出现了帧尾部的比特流。



解决方式是在帧数据的EOT前面加一个转义字符



如果帧数据中就包含了ESC+EOT比特流，则在前面再加一个转义字符。



这种处理方法跟编程语言中使用“\”作为转义字符是一个道理。

“透明”在计算机领域是一个非常重要的术语，透明即“当它不存在”。在特殊比特流前面加转义比特流，将帧数据中的特殊比特流透明化，以便能把这些比特流标识为正常的数据。

差错检测

数据在物理层以比特流的方式传输，传输过程中可能发生差错，0可能变成1，1可能变成0。数据链路层提供差错检测功能，在发送的数据块中添加一些冗余信息，以便接收方判断数据在传输过程中是否出错。

奇偶检验码

奇偶检验码是一种通过增加冗余位使得码流中"1"的个数恒为奇数或偶数的编码方法。下面以码流中“1”恒为偶数讲解。

假设要发送数据是00110010，1的个数是奇数个，在数据的末尾加1，保证数据中“1”为偶数个。假设要发送数据是00111010，1的个数是偶数个，在数据的末尾加0，保证数据中“1”为偶数个。

当001100101在传输过程中有一个比特位发生变化，变成了000100101，接收端收到数据后，发现“1”的个数为奇数个，则认为此数据在传输过程中发生了错误。

奇偶检验有局限性，如果数据有两个比特位发生错误，奇偶检验无法检测出错误。例如001100101在传输过程中，前面的两位发生错误，变成111100101，由于“1”的个数还是偶数个，则服务端认为此数据是正确的。

循环冗余校验码CRC

目前在数据链路层广泛使用了CRC检测技术（循环冗余检测）。CRC校验码是在数据后面添加n位冗余码，构成“数据+n位冗余码”的帧发送出去。

CRC用到了模“2”除法，二进制的模“2”除法不会向前一位借位，仅是一种异或的数学关系。例如：1001除以1010，商为1，余数是11。1101除以1011，商为1，余数是110。如下图：



计算CRC循环冗余校验码有3步骤：

1、选定一个用于校验的多项式G(x)，G(x)的位串（也叫“最高阶”）是r。

2、在数据尾部添加r个0，使用模“2”除法除以多项式的位串。

3、得到的余数填充在原数据末尾，得到可校验的位串。

下面以，数据=101001 为例子讲解。

发送端

1、 ，最高阶是3，对应的二进制串为1101。

2、要校验的数据为101001，由于G(x)最高阶是3，则在数据后加3个0，变成101001000。

101001000除以G(x)对应的二进制串1101



3、将余数001添加到原始数据101001的后面，变成101001001，这个数据就是发送给接收端的数据。

接收端

接收端将接收到的数据除以对应的二进制串1101，如果余数为0，则认为数据没有出错。

例如：接收端收到101001001后，使用101001001除以对应的二进制串1101，余数为0，证明数据在传输过程中没发生错误。



最大传输单元MTU

MTU即Maximum Transmission Unit 最大传输单元。它是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位）。

数据链路层传输数据的基本单位是帧，数据帧不可能无限大，以太网的MTU一般为1500字节。



路径MTU是指一条因特网传输路径中，从源地址到目的地址所经过的“路径”上的所有IP跳的MTU的最小值。



上图中计算机A向计算机B传输数据会经过几个小型网络，小型网络之间的MTU各不相同。路径MTU就是此“路径”上最小的MTU，路径MTU = 1492

以太网协议

MAC地址

网络中每台设备都有一个唯一的网络标识，这个地址叫MAC地址或网卡地址，由网络设备制造商生产时写进硬件内部。 MAC地址是48位的（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号或者中杠隔开，如08:00:20:0A:8C:6D是一个MAC地址。

window使用 ipconfig -all 命令查看MAC地址



以太网协议

以太网(Ethernet)是一种使用广泛的局域网技术，可以完成相邻设备的数据帧传输，是TCP/IP协议簇四层模型的网络接口层使用的协议。

以太网协议数据帧的格式如下：



目的地址、原地址是接收端、发送端的MAC地址，各占6个字节（前面有提到MAC地址是6个字节的）。

类型用于表示网络层使用的协议（备注：数据链路层的上一层就是网络层），占2字节，例如：0800表示网络层使用的是IP协议。

帧数据是网络层交付给数据链路层的数据。数据链路层将网络层的数据加上头（目的地址、源地址、类型），加上尾（CRC冗余校验码）就组成了以太帧网协议的数据帧。



数据链路层将CRC循环冗余校验码添加到以太帧的尾部。

数据链路层使用以太网协议完成相邻设备间的数据传输。



问题一：如上图所示，计算机A要将数据发送给计算机C，过程是怎样的呢？

1、路由器E维护了一张MAC地址表，存储了计算机A、B、C的MAC地址与硬件接口（即：路由器插槽）的映射。



2、路由器接收到A发送的数据帧后，读取数据帧中的目的地址。路由器通过MAC地址表知道目的地址的设备插在了E3接口上，则将数据帧发送给E3接口的设备。

问题二：假如MAC地址没有C与E3的映射会怎样呢？



1、路由器收到A发送的数据帧后，在MAC地址表中找不到目的地址与硬件接口的映射，就会将数据帧广播给除了A以外的所有设备。

2、将数据广播出去后，路由器将收到B、C的响应信息，并将C的MAC地址与硬件接口的映射更新到MAC地址表。

问题三：如果A与C之间有多个路由器，数据如何传输？



以太网协议只能解决相邻节点的数据传输，这种跨设备传输的问题将交给网络层解决。请看这篇博客 https://blog.csdn.net/u010606397/article/details/110422346

 

 

 

链路层上最常见的封装就是以太网和IEEE 802封装，这里就使用以太网作为讲解的对象。

一、概述
     数据链路层属于计算机网络的底层，使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种类型。

 
     在TCP/IP协议族中，数据链路层主要有三个目的：
          1）为IP模块发送和接收数据
          2）为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答
          3）为RARP模块发送RARP请求和接收RARP应答
     TCP/IP支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件，如以太网，令牌环网，FDDI(光纤分布式数据接口）及RS-232串行线路等。
     
     数据链路层的协议数据单元——帧：将IP层（网络层）的数据报添加首部和尾部封装成帧。
     数据链路层协议有许多种，都会解决三个基本问题，封装成帧，透明传输，差错检测。
.二、以太网和IEEE802的封装
     如图所示，显示了两种不同形式的封装格式。最常使用的封装格式是RFC894定义的格式。两种帧格式均采用48bit(6 byte)的目的地址和源地址。




        以太网的帧格式才有6字节的目的地址和源头地址。帧长度字段是指它后续数据的字节长度，但不包括CRC校验码。这个长度是提供给上层协议的数据负载，也就是上层协议封装的数据最长度不要超过以太网帧的数据长度。最小数据帧尾46，最大数据帧长为1500.
        在分析以太网帧的长度时，也有不同的说法，详见http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/22490229。

二、最大传输单元MTU

      最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位）。
     如果在IP层要传输一个数据报比链路层的MTU还大，那么IP层就会对这个数据报进行分片。一个数据报会被分为若干片，每个分片的大小都小于或者等于链路层的MTU值。当同一网络上的主机互相进行通信时，该网络的MTU对通信双方非常重要。但当主机间要通过很多网络才能通信时，对通信双方最重要的是通信路径中最小的MTU，因为在通信路径上不同网络的链路层MTU不同。通信路径中最小的MTU被称为路径MTU。
     网络中一些常见链路层协议MTU的缺省数值如下：
FDDI协议：4352字节
以太网（Ethernet）协议：1500字节
PPPoE（ADSL）协议：1492字节
X.25协议（Dial Up/Modem）：576字节
Point-to-Point：4470字节
      以太网和802.3对数据帧的长度有一个限制，其最大值分别是1500和1492字节。链路层的这个特性称作MTU，最大传输单元，不同类型的网络大多都有一个上限，这个值是根据硬件来确定的。


       如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大,那么IP层就需要进行分片，把数据分成若干片，这样每一片就小于MTU，。

三、路径MTU

       路径MTU和上述内容类似，只不过是在传输数据的时候需要知道真个路径的最小MTU.