1、封装成帧
 
封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部、尾部和帧检验序列 ，然后就构成了一个帧。
 注：首部和尾部的一个重要作用就是帧定界。
 
2、透明传输
 
发送数据帧时，加上转义字符“ESC”，以及接收数据帧时，去掉转义字符，得到真实数据，这就叫做透明传输。
 
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）。
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。
 
注意：如果转义字符“ESC”也出现在数据当中，那么应当在转义字符前插入一个转义字符。
 
 
3、差错检测
 
传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0，0可能会变成1，为了检查传输是否正确，需要在原始数据后加上一个帧检验序列（FCS）。
 
循环冗余检验（CRC）是常用的帧检验算法
 
1）原始数据添加帧检验序列：
 
假设传输数据为101001，我们在该序列后加几位零，变成101001000，再除以一个四位数（序列后加0个数+1），例如1101。除法最后的余数（001）作为帧检验序列（FCS），所以最后传输序列变成101001001。
 
注意：除法的余数为被除数和除数做不进位加法的结果。
 
 
2）接收端校验数据：
 
用接收端收到的序列除以同一个除数1101，如果最后余数为0，则传输的数据正确，接收端接收；否则传输的数据出错，接收端会丢弃该数据。
 如果接收到101001001，我们做计算101001001/1101（同样用不进位加法），最后余数为零，所以传输数据正确。
 
3）循环冗余检验的特点：
 
这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到差错的概率就很小。

数据链路层主要解决的三个问题
 
1.封装成帧
 
“帧“是数据链路层数据的基本单位，数据链路层接收到网络层的数据后会在这段数据的前后添加特定标记形成数据帧，接收端根据前后特定的标记来识别数据帧。
 
封装成帧的过程
 在网络层会把一些IP数据报传输给数据链路层，数据链路层在接收到数据之后把它看作是数据帧的数据，接着在数据的前后添加标记，标识数据帧的头部和尾部。（从帧首部到帧尾部就是数据帧的长度）帧首部和帧尾部都是特定的控制字符，实际也是一些特定的比特流。
 比如帧首部SOH：00000001
 帧尾部EOT：00000100
 对于数据帧在物理层的表现形式为001…0101的比特流。
 
2.透明传输
 
如果帧数据里面存在比特流，通过透明传输来解决。
 
“透明”在计算机领域是非常重要的一个术语。比如平时设计API时如果设计的足够良好的话，底层的API操作对于API的调用方是透明的；比如对于数据链路层来说，物理层所做的工作是透明的，物理层只需要提供一些API给数据链路层使用。“一种实际存在的事物却又看起来不存在一样”
 在数据链路层中即使控制字符在帧数据中，但是要当作不存在的去处理。
 
数据链路层是如何即使控制字符在数据里还可以当作不存在处理？
 假设数据报文里面有一个EOT的控制字符，在接收端很有可能会把位于数据里面的EOT字符看作是数据帧的尾部，从而识别到一个错误的帧。这是严重的问题，如果不在底层做一些操作与改变，即使数据帧进行了传送也是无法解决的。所以必须在数据链路层进行操作使接收端不认为数据报里的比特流是控制字符。
 
对数据里的控制字符进行特殊的处理，在特殊控制字符前面加一个转义字符。如果数据报里面有控制字符就在前面增加ESC转义字符。接收端在接收到EOT字符的时候就会判断在它的前面是否有转义字符。如果有转义字，接收端就认为这是一个位于数据报里的EOT比特流，从而不当做数据帧的尾部处理。
 同理如果数据里面出现转义字符，只需要把转义字符重新转义一次，在前面再次增加ESC即可。和编程里的转义字符原理相同。
 
3.差错监测
 
物理层只管传输比特流，无法控制判断是否出错。如果物理层在传输比特流的时候受到干扰，如宇宙射线，闪电等。物理层无法察觉比特流的错误。因此数据链路层拥有差错检测的功能，它可以判断比特流是否有出错。

本文主要介绍数据链路层传输数据需要注意的最基本的三个问题
 

  
 当我们需要传输数据的时候，我们应该这考虑：首先，将数据封装成帧（帧是数据链路层的基本单位），考虑去怎么封装，才能让接受端识别一个完整的帧，同时接收端让所有数据都能顺利传输，而不应该受到限制导致某些数据不能传输。接着，发送端发送完数据，经过信道，有时候因为外部原因而导致帧出现变化，也就是数据发生了变化，那么这个时候我们应该怎么样去进行检测错误和处理。本文梳理出这三个基本问题出来，然后对每个问题进行详细地讨论。
 

 1、封装成帧
 

 这里的成帧方法参考Andrew S.Tanenbaum & David J.Wetherall著的《计算机网络》中所提到的4中方法：
 

 （1）字节计数法
 

 （2）字节（字符）填充法
 

 （3）比特填充法
 

 （4）物理层编码违禁法
 

 第一种方法是字节计数法，具体是，利用头部的一个字段来标识该帧中的字符数。但是这个方法有一个问题，如果用来标识该帧字符数的字段在传输过程中发生了错误，那么从这个字段到后面的帧都会被弄混乱。正是由于这个原因，这个方法很少被使用，这里只是提出来让大家了解下
 

 第二种，字节（字符填充法），网络层上的IP数据报传递给数据链路层，就变成了帧的数据部分，在数据部分的前面和后面添加首部和尾部，就构成了一个完整的帧。（我们所说的帧的长度，就是数据部分+首部+尾部的长度）。那么我们为什么要添加首部和尾部呢，其主要目的就是帧定界，确定这个帧的界限。由于首部和尾部不是我们想要的数据部分，所以为了提高传输效率，我们应该尽可能地让数据部分大于首部和尾部。同时，协议也定义了最大数据部分长度——最大传送单位MTU（Maximum Transfer Unit）。在字节填充法中，帧定界使用的是特殊的帧定界符。一个SOH（Start Of Header）作为帧的开头，另外一个是EOT（End Of Transmission），作为帧的结尾。这里所提到的SOH和EOT都只是这两个控制字符的名称，而不是S、O、H（或者是E、O、T）三个字符。SOH的十六进制编码是01（二进制编码是00000001），EOT的十六进制编码是04（二进制编码是00000100）。了解了首尾的两个标记之后，我们可以想到的是，在IP数据报（也就是帧的数据部分）可能会存在和SOH和EOT相同格式的数据，那么这个时候就会出现问题，接受方就会错误地将和SOH以及EOT格式相同的数据当做帧定界面。要解决这个问题，就在与SOH和EOT相同格式的数据前面加上一个转义字符“ESC”（其十六进制编码是1B，二进制是00011011），同样，如果转义字符要是出现在了数据中，那么就在转义字符前面再加一个转义字符。接收方在接受的时候将第一个转义字符给删除掉就好了。
 

 第三种，比特填充法，这种方法是在第二种方法的思想上做了优化，第三种方法考虑到第二种方法的缺点，也就是只能使用8比特的字节作为帧的界定符。在比特填充法中，每个帧的开始和结束由一个特殊的比特模式（被称为FLAG）来标记，01111110（十六进制就是0x7E）。然后在IP数据报（也就是帧的数据部分），每当遇到了5个1就在后面填充一个比特0。可想而知，这样的话，那么数据中就不可能存在和FLAG同样的格式。这种方法是为HDLC（高级数据链路控制）协议开发的，USB（通用串行总线）采用了比特填充技术。
 

 第四种，是在物理层思考，找到一种捷径来处理问题，在比特编码成信号的通常包括一些冗余的比特，是用来帮助接收器同步接受的。那么这些冗余的数据是不会出现在常规数据中的。第四种方法就是利用这些冗余的比特来表示帧的开始和结束。
 

 然后，很多数据链路层的协议为了安全起见，并不是单纯使用了其中一种方法，我们可以看出来，除了第一种，其他的方法都是有各自的优点的，所以协议都是综合了这。以太网和802.11（无线网络）使用了共同的分界模式，也就是使用了一个规定好的比特模式来作为帧的开始，这个比特模式被称为前导码（preamble）
 

 
 
 

 2、透明成帧
 

 
 

 
 

本章介绍的数据链路层分为：
 
点对点信道的数据链路层
广播信道的数据链路层 （局域网）
 
主要内容：
 
1，数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及两种信道所使用的协议（PPP协议和CSMA/CD协议） 
 2，数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测 
 3，以太网MAC层的硬件地址 
 4，适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用及使用场合
 
一，数据链路层的基本概念
 
1，概述
 
数据链路层：是OSI参考模型中的第二层,介乎于物理层和网络层之间，在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务。数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强。
 
信道类型：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。
 
2 ， 数据链路层的简单模型
 
 
 
网络层协议数据单元是IP数据报（或简为数据报、分组或包）。数据链路层把网络层交下来的数据报构成帧发到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。
 
 
3 链路 VS 数据链路
 
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。 
 
二，三个基本问题
 
帧定界 
 
数据链路层的发送方应当让接收方的数据链路层知道，所发送的帧是从什么地方开始到什么地方结束。
透明传输
 
数据链路层传送的比特组合必须是不受限制 的。
差错检测 
 
数据链路层必须有差错检测功能。 
 
1，帧定界（封装成帧）
 
封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。
 
帧定界 (framing) 就是确定帧的界限。每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。 
 
发送方的数据链路层在帧的前后都各加入事先商定好的标记，使得接收方在收到这个帧后，能根据这种标记识别帧的开始和结束，以及帧里面装入的数据部分的准确位置。
 
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
 
 
首部和尾部作用：帧定界，其他一些控制信息。
 
发送帧时，是从帧首部开始发送。
 
各种数据链路层协议都对帧的首部和尾部都有明确规定。
 
为提高帧传送效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度，但每一种链路层协议都规定了帧数据部分长度上限。这种上限称为最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）。
 
用控制字符进行帧定界的方法举例 ：
 
 
数据是由可打印ASCII码组成文本时，帧定界可使用特殊的帧定界符。
 
ASCII码有128个不同的ASCII码，其中可打印的有95个，不可打印的有33个。
 
ASCII控制字符SOH表示帧首部开始，EOT表示帧的结束。注意SOH的ASCII码为01，而EOT的ASCII码为04。EOT和SOH不是E、O、T和S、O、H字母组合。
 
帧定界作用：
 
1）异步传送时，可以确定一个帧的开始和结束。
 
2）同步传送时，发送方连续地发送数据帧。接收方借助于帧定界符从连续地比特流中找出每一帧的开始和结束位置。
 
3）短暂出故障情况下，又重新发送情况下，接收方根据帧定界符确定是否接收还是丢弃。
 
2，透明传输
 
1）问题
 
 
2）解决透明传输问题
 
用字节填充法解决透明传输的问题 ：
 
a，字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——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)。
 
b，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。
 
c，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。 
 
 
3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)。
 
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 
 
使用的检错技术为循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）
 
CRC 码的基本思想：
 
a，在信息报文上加上一些检查位，构成一个特定的待传报文，使它能被一个事先约定的多项式（生成多项式）除尽。
 
b，接收方收到报文后，再用同样的生成多项式去除收到的报文多项式，可以除尽表示传输无误，否则不正确。 
 
循环冗余检验的原理 ：
 
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。
 
在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 
 
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。 
 
冗余码的计算 ：
 
用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 
 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。 
 
例： 
 现在 k = 6, M = 101001。 
 设 n = 3, 除数 P = 1101， 
 被除数是 2nM = 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 ： 
 
 
接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 ：
 
a，若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
 
b， 若余数 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
 
局限性：
 
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。 
 
帧检验序列 FCS：
 
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。
 
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。
 
FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的惟一方法。 
 
生成多项式的选择：
 
生成多项式应该满足以下要求：
 
a，任何一位发生错误都应使余数不为0
 
b，不同位发生错误应使余数不同
 
c，对余数继续作模2除运算应使余数循环
 
标准CRC生成多项式G（x）：
 
$CRC-4:                                             G(X)=X^4+X+1$
 
$CRC-12:                 G(X)=X^{12}+X^{11}+X^3+X^2+X+1$
 
$CRC-ANSI:    G(X)=X^{16}+X^{15}+X^2+X$
 
$CRC-CCITT V.41：G(X)= X^{16}+X^{12}+X^5+1$
 
$CRC-32: G(X)= X^{32}+X^{26}+X^{23}+X^{22}+X^{16}+X^{12}+X^{11}+X^{10}+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1$ 
 
CRC校验可以100％地检测出长度小于等于n（n为G（x）的阶数）的突发错误。所以CRC的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。
 
应当注意 :
 
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）。 
 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。