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之前曾經寫過一些計算機網絡的基本知識點，還有對物理層進行了介紹，這篇文章主要是對數據鏈路層進行講解，數據鏈路層的知識點不管是面試還是你期末考試，就開始變得比較多了。如果你之前學過正好回顧一下。

一、數據鏈路層基礎知識

1、概念

相信我們已經知道物理層考慮的是怎樣在傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。它盡可能屏蔽傳輸媒體和通信手段的差異，使數據鏈路層感覺不到這些差異。就好比我們使用的是雙絞線又或者是其他的物理設備，這些都不重要，物理層站的比較高，他定義了一些規則，雙絞線這些物理設備按照這些規則實現就好了。

但是我們又該如何理解數據鏈路層的作用呢？鏈路層協議就是為同一鏈路的主機提供數據傳輸服務。數據鏈路層把網絡層傳下來的分組封裝成幀。

 

 

這里面出現了兩個概念：

（1）鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。

（2）數據鏈路(data link) 除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。

2、分類

數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：

（1）點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。

（2）廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發

3、解決三個基本問題

（1）封裝成幀

封裝成幀(framing)就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。確定幀的界限。

 

 

（2）透明傳輸

封裝好了之后就開始傳輸，透明傳輸是遇到的第一個問題。

 

 

這時候怎么辦呢？總得有解決辦法吧，

解決辦法：字符填充

字節填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的數據鏈路層在將數據送往網絡層之前刪除插入的轉義字符。如果轉義字符也出現數據當中，那么應在轉義字符前面插入一個轉義字符。當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。

 

 

這就是解決辦法，當然只是出現了一個錯誤，如果出現了下面的錯誤呢？

（3）差錯檢測

在傳輸過程中可能會產生比特差錯：1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1。在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率 BER 。為了保證數據傳輸的可靠性，必須采用各種差錯檢測措施。

解決辦法，就是那個赫赫有名的循環冗余校驗碼。因為我在很多個地方都學習了他，不只是計算機網絡。怎么去計算，我在這里就不說了，但是需要注意一點循環冗余檢驗 CRC只是實現了差錯檢驗，并不糾正錯誤。

下面我們根據兩種信道類型分開來講講。

二、點對點通信

現在全世界使用得最多的數據鏈路層協議是點對點協議 PPP。PPP 協議有三個組成部分

（1）一個將 IP 數據報封裝到串行鏈路的方法。

（2）鏈路控制協議 LCP (Link Control Protocol)。

（3）網絡控制協議 NCP (Network Control Protocol)。

 

 

由于 TCP/IP 體系經常使用的局域網是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標準中的幾種局域網，因此現在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經不大了。一般不考慮 LLC 子層

1、PPP協議的幀格式

 

 

（1）標志字段 F = 0x7E

（2）地址字段 A 只置為 0xFF。地址字段實際上并不起作用。因為點對點通信，地址是確定的。

（3）控制字段 C 通常置為 0x03。

（4）PPP 是面向字節的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節。

（5）當協議字段為 0x0021 時，PPP 幀的信息字段就是IP 數據報。若為 0xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數據。若為 0x8021，則表示這是網絡控制數據。

2、透明傳輸問題

PPP幀出現了透明傳輸問題之后有兩個解決辦法：

（1）字符填充

（2）零比特填充

在發送端，只要發現有 5 個連續 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發現 5 個連續1時，就把這 5 個連續 1 后的一個 0 刪除，

 

 

這是一個常見的面試題。

3、不提供使用序號和確認的可靠傳輸

PPP 協議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮：

（1）在數據鏈路層出現差錯的概率不大時，使用比較簡單的 PPP 協議較為合理。

（2）在因特網環境下，PPP 的信息字段放入的數據是 IP 數據報。數據鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網絡層的傳輸也是可靠的。

（3）幀檢驗序列 FCS 字段可保證無差錯接受。

PPP協議的主要內容就這么多。

三、廣播信道

1、局域網

局域網是一種典型的廣播信道，主要特點是網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。主要有以太網、令牌環網、FDDI 和 ATM 等局域網技術，目前以太網占領著有線局域網市場。下面說的局域網都是以太網。

以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。

2、適配器的作用

網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。

 

 

3、載波監聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD

（1）“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。

（2）“載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。

（3）“碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。

出現碰撞的原因有很多。比如傳播時延對載波監聽的影響

 

 

因此使用 CSMA/CD 協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信。這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。

最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2t（兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。以太網的端到端往返時延 2t稱為爭用期，或碰撞窗口。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。因此出現了二進制指數類型退避算法，盡可能的避免碰撞。

4、集線器

以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器，注意的是集線器其實是工作在物理層，千萬不要看到這里介紹到了，就誤以為工作在數據鏈路層。

目前以太網使用交換機替代了集線器，交換機是一種鏈路層設備，它不會發生碰撞，能根據 MAC 地址進行存儲轉發。

5、以太網的 MAC 層

在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。

適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

 

 

6、 擴展局域網

（1）物理層擴展局域網：用集線器擴展局域網

（2）數據鏈路層擴展局域網：

在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口

 

 

網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。

集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。網橋在轉發幀之前必須執行 CSMA/CD 算法。若在發送過程中出現碰撞，就必須停止發送和進行退避。

7、虛擬局域網 VLAN

虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。這些網段具有某些共同的需求。每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。

下圖中 (A1, A2, A3, A4) 屬于一個虛擬局域網，A1 發送的廣播會被 A2、A3、A4 收到，而其它站點收不到。

 

 

虛擬局域網使用的以太網幀格式

 

 

速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱為高速以太網。以太網已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆蓋的地理范圍也擴展到了城域網和廣域網，因此現在人們正在嘗試使用以太網進行寬帶接入。

OK，這就是數據鏈路層基本的面試知識點。