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。

本篇目录
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数据链路层的三个基本问题
使用点对点信道的数据链路层
使用广播信道的数据链路层
以太网MAC层的硬件地址
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一、数据链路层的三个基本问题
封装成帧：帧是数据链路层的传送单位。一个帧的帧长等于帧的数据部分加上帧的首部和尾部的长度。首部和尾部的一个重要作用是帧定界（确定帧的界限）。每一种链路层协议都规定了所能传输的帧的数据部分的上限既最大传输单元MTU。（见下图，图片来自百度）


对于帧定界做以补充：
1）当数据是由ASCII组成的文本文件时，使用特殊的帧定界符。
SOH（Start Of Header）放在帧的最前面，表示帧的开始。十六进制编码是01（二进制00000001）
EOT（End Of Transmission）表示帧的结束。十六进制编码是04（二进制00000100）
SOH和EOT只是控制字符的名称。
2）当数据是非ASCII码的文本文件（字符都是从键盘上输入）时，如二进制代码计算机程序或图像等，当数据中有SOH或者EOT这种控制字符时，就会出现判断错误。
做法：字节填充==》发送端的数据链路层在数据中出现了控制支付SOH或者EOT时，就在其前面加上转义字符“ESC”（十六进制为1B，二进制为00011011），如果数据中出现了转义字符，也在其前面加上一个转义字符。在接收端的数据链路层在把数据向网络层传送之前，删除这些转移字符。
透明传输：表示无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错的通过这个数据链路层。
差错检验：实现无比特差错。传输错误的比特占传输比特总数的比特率称为误码率BER（Bit Error Rate）。数据链路层采用循环冗余检验CRC的检错技术。过程如下：


二、使用点对点信道的数据链路层

（1）、ppp协议：不需要纠错，不需要设置序号，不需要进行流量控制，不支持多点线路（既一个主站轮流和链路上的多个从站进行通信），只支持点对点的链路通信，只支持全双工链路。
（2）、PPP协议的三个组成部分：
①一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶检验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。
②一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP。
③一套网络控制协议NCP。

（3）、ppp帧的格式


标志字段F：0x7E(01111110)：表示一个帧的开始或者结束。标志字段就是PPP帧的定界符。
地址字段A：0xFF(11111111)
控制字段C：0x03(00000011)
协议字段：为0x0021时，PPP协议帧就是IP数据报；为0xC021时，信息字段就是PPP链路控制协议LCP的数据；为0x8021时表示网络层的控制信息。
FCS：使用CRC帧检验的冗余码。
（4）、PPP协议的工作状态


说明：
a)、当用户拨号接入ISP时（通过调制解调器呼叫路由器时，通常是在屏幕上用鼠标点击连接按钮），路由器检测到调制解调器发出的载波信号，做出确认，并建立一条物理连接。
b)、PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。
c)、这些分组及其相应选择了将要使用的PPP参数，接着进行网络配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC称为互联网上的一个有IP地址的主机。
d)、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，最后释放物理层连接。
（三）、使用广播信道的数据链路层

CSDA/CD协议：（Carrier Sense Multiple Access with Collision Delection）载波监听、多点接入、碰撞检测。
说明：
载波监听：不管在发送前还是在发送中，每个站都必须不停的检测信道。如果检测到已经有其他站在发送，则自己就暂时不需发送数据，必须要等到信道边为空闲时才能发送数据。在发送中检测信道，时为了及时发现有没有其他站在发送和本站发送的碰撞。
多点接入：总线型网，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
碰撞检测：边发送边监听，既适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。
补充：
a)以太网的端到端往返时间2τ称为争用期。具体的争用期时间是51.2μs，也可以直接使用比特作为争用期的单位。
b)截断二进制指针退避算法：重传应推后的时间计算=r*2τ；
（r是从集合[0，1，……，(2^k)-1]中随机取出的一个数；k=Min[重传次数，10]）
c)以太网规定一个最短帧长64字节，既512bit.如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使得帧长不小于64字节。
d)从总线网到星形网，以太网交换机已经不使用共享总线，因此就没有了碰撞问题，也就不使用CSMA/CD协议，也就没有了争用期，而是以全双工的方式工作。之所以还叫以太网是因为它的帧结构没有改变，仍然采用的是以太网的帧结构。
四、以太网MAC层的硬件地址
（1）、MAC层的硬件地址又称为物理地址或者MAC地址。实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48位长。
（2）、以太网的适配器有过滤功能，只接受单播帧、广播帧或多播帧。
单播帧（一对一）：既收到的帧的MAC地址和本机的硬件地址一样。
广播帧（一对全体）：发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）。
多播帧（一对多）：发送给本局域网上一部分站点的帧。
（3）、MAC帧的格式


说明：
a)2字节类型：标志上一层使用的什么协议。
b)数据字段：长度在46到1500字节之间（因为帧长度最短为64字节，随意数据部分最小为46字节）
c)插入的8字节：由硬件生成。由两个字段构成，第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替出现）作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能迅速调整时钟频率，使它和发送端的时钟同步（实现位同步）。第二个字段是帧开始定界符，前六位作用和前同步码一样，最后连续的1告诉接收端适配器MAC帧马上要来了。
d)FCS：帧检验序列，检验范围不包括前同步码和帧开始定界符。
e)以太网传输数据时是以帧为单位传送的，在以太网上传送帧时，个帧之间还必须有一定的间隙，因此接收端只要找到帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输。

常用的两种数据链路层帧：
 
 
以太网帧和PPP帧的区别：
 最大的区别，以太网是一个广播链路，一个广播域可能有多个设备，所以以太网帧有MAC地址，为了在整个以太网中确定一个唯一确定到底哪个设备进行接收，减少链路的带宽消耗和设备处理时产生的消耗。而ppp帧在一条链路上只有对端，我们不需要通过MAC地址来表示接受方到底是谁，所以来数据帧上没有MAC地址的。其中的address地址全为F，没有实际的意义。
 
以太网帧字段的说明：
 
无论是哪种以太网的封装的格式，其实大体上都是差不多的，但是还是有一定的区别，但是可以通过字段的不同值分别到底是哪种类型的以太帧，首先当一个以太网接口接收到以后，会从帧界定符以后开始读取源目MAC地址，因为MAC地址长度固定，48bit，连续96bit后就会读取到一个类型/长度字段，这个字段占8个bit，如果表示的值大于1536，表示的是以太网2的帧，其含义为上层是什么协议，如0x0800表示的是IPV4报文，0x86dd表示的是IPV6报文，常用表示的如下：
 
 这里出现的MPLS，802.1Q字段为在传统以太网上添加的字段，添加的位置是在MAC地址之后，原来协议字段之前，添加的部分它们同样有一个类型字段，告诉设备现在读取的是MPLS标签或者VLAN的tag，当读取完成后继续读取的协议/长度字段才是原来报文中的字段。
 
如果表示的是类型/长度字段表示类型就没有长度字段了怎么知道数据真的总长度呢？这个就只有看上层协议中所表示的长度了，例如IPv4报头中也有长度字段。
 
如果协议/类型字段小于1500，则表示以太帧中内容的长度，但是这样又不知道了上层是什么协议，这就需要LLC子层来进行表示了（例如生成树的BPDU）。当读取完成后，最后有4个字节的FCS的校验位，防止接收到的数据帧出现了偏差。
 
这里做一个记忆：
 
 802.1Q和QinQ格式：
 
 普通情况下一共四个字节，其中2字节的协议类型字段，表示这是一个tag，3bit的PRI，表示数据真的优先级0-7，7最优。CFI在令牌环网络中有效，以太网中无意义，占有1bit，最优是VLAN的标签，占12bits，范围为（0-4095）。QinQ帧就是两个802.1Q字段的叠加，一个为内网tag，一个为外网tag。
 
MPLS标签字段：
 
 mpls标签也是4字节，其中标签字段20bit，优先级3bit没有变化，S表示十分为最后一个标签，为1表示为最后一个，TTL字段的作用是进行标签转发防止环路，占8bit。
 
PPP帧格式的说明：
 

 PPP报文前后有一个字节固定的flag字段，表示一个数据帧的界定，然后有一个自己的全1分地址字段，控制字段占1自己，默认为0x03，没有什么特别的作用，然后就是一个2字节的协议为，表示information字段包含的是什么报文，information字段是PPP真的载荷数据，长度可变，里面的类容先暂时不进行分析。最后为2字节的差错校验位。
 
总结：
 
知道二层封装的协议之后，可以进行同一网段中相邻三层设备间的数据准确传输了。但是相邻链路接收到对方发来的信息后，如果自己就是对方发送的目标后，后下一步该怎么做呢，怎么进行不同网段的信息传输呢，就需要进一步了解封装在二层帧中的数据的内容了。
 
一般封装在二层帧中的也就是三层的报文，这一层报文主要是为了进行不同网段的寻路，如ipv4，ipv6等，设备可以通过二层帧中的类型字段知道了上层的协议是什么，然后再按照对应上层协议的格式进行对格式的读取。
 
参考资料：部分网络上资料

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。