計算機網絡之數據鏈路層

注意：本文是數據鏈路層筆記;可以結合教材《計算機網絡》-謝希仁

計算機網絡之數據鏈路層

數據鏈路層關注的三個問題：封裝成幀，透明傳輸和差錯檢測

一. 數據鏈路層概述

在研究數據鏈路層的時候，可以暫且關注該層，而屏蔽其他層

關鍵詞：數據幀

1.1 封裝成幀

我們將數據鏈路層給網絡層交付的協議數據單元添加幀頭和幀尾的操作，稱爲封裝成幀；其目的都是爲了在鏈路上以幀爲單位來傳輸數據，實現其本身的功能

1.2 差錯檢測

發送方將封裝好的幀通過物理層發送到傳輸媒體；幀在傳輸過程中可能出現誤碼，也就是比特0可能變成比特1，反之亦然。但是，接受方主機是沒有辦法知道到底出現誤碼沒有，所以需要通過輔助手段來進行判斷。例如：檢錯碼

1.3 可靠傳輸

接受方主機收到有誤碼的幀後，將其丟棄；如果數據鏈路層提供的是不可靠服務，那麼丟棄就無所謂；但如果是提供的是可靠服務時，則需要其他措施來確保可以重新接收到被丟棄的這個幀的正確副本。

封裝成幀，差錯檢測和可靠傳輸時數據鏈路層中最基本，最重要的問題。

上訴三個問題使用的時點對點信道的數據鏈路層來舉例的。下面看一下廣播信道

1.4 廣播信道的數據鏈路層

傳輸信號碰撞問題，這是採用廣播信道的共享式局域網不可避免的；以太網的媒體接入控制協議 CSMA/CD (載波監聽多點接入/碰撞檢查)

隨着技術的發展；交換技術的成熟和成本的降低，具有更高性能的，使用點對點鏈路和鏈路層交換機的交換時局域網在有線(局域網)領域完全取代了共享式局域網

不過: 無線局域網仍然使用的是共享信道技術

二.封裝成幀

幀定界標誌也就是一個特定數值。針對這個特定標誌在協議數據單元也存在時需要進行轉義。；所以在發送之前對特殊字符插入一個轉移字符

比特填充法具體地說，發送端的數據鏈路層遇到數據比特流中出現5個連續“1”的時候，它就自動在輸出比特流中插入一個“0”;接收端遇到5個輸入比特爲“1”，且後面緊接的是“0”時，自動將其刪除。字符填充法的主要缺點是依賴於特定的字符模式

在差錯控制中，如果發現只有開始的幀定界符而沒有結束的幀定界符也一樣會被當作不完整而拋棄。

幀的數據部分纔是真正所要傳輸的數據，幀頭和幀爲只是爲了實現數據鏈路層功能而額外添加的。

三.差錯檢測

比特雖然在傳輸過程中會出現差錯，但是目的主機並不清楚是否發生了差錯，這個時候就需要通過輔助手段來進行判斷。所有就出現差錯檢測碼

在幀尾中包含了一個長度爲4個字節的幀檢驗序列FCS字段，其作用就是讓接收方的數據鏈路層檢查幀在傳輸過程中是否產生了誤碼。

3.1 檢驗方法

奇偶校驗
由於奇偶校驗的漏檢率比較高，因此計算機網絡的數據鏈路層一般不會採用這種檢查方法

循環冗餘校驗CRC(Cyclic Redundancy Check)

這種校驗方法漏檢率較低

在CRC檢錯的基礎上，還增加了，幀編號，確認和重傳機制。收到正確的幀就要發送端發送確認，發送端在一定的期限內若沒有收到對方的確認，就認爲出現了差錯，因而進行重傳，直到對方確認爲止。歷史上這種方法很好用，但現在通信線路的質量已經大大提高，由通信鏈路質量不好引起差錯的概率已經大大降低。在這種情況下就區別對待。

對於通信質量良好的有線傳輸鏈路，數據鏈路層協議不使用確認和重傳機制，即不要求數據鏈路層向上層提供可靠傳輸服務。（把任務交給其上層，例如：運輸層的TCP協議）

對於通信質量較差的無線傳輸鏈路，數據鏈路層協議使用確認和重傳機制。數據鏈路層向上提供可靠傳輸服務。

四. 可靠傳輸

4.1 可靠傳輸的基本概念

比特差錯只是傳輸差錯中的一種，從整個計算機網絡體系結構中來看，
傳輸差錯還包括分組丟失，分組時序以及分組重複

主機H6給主機H2發送的分組到達了路由器R5；由於路由器輸入隊列快滿了，主動丟棄收到的分組（根據自己的分組丟棄策略將該分組丟棄）；這是一種分組丟失的情況；
分組時序，主機H6依次給主機H2發送三個分組，但並未按順序依次到達H2,(最先發送的分組未必最先到達)
主機H6依次給主機H2發送分組，由於某些原因在網絡中滯留了，沒有及時到達H2 ,這可能造成H6對該分組的超時重發，重發的分組到達H2，一段時間後，滯留在網絡中的那個分組又到達了H2;這就會造成分組重複的傳輸差錯

分組丟失，分組失序以及分組重複這些傳輸差錯，一般不會出現在數據鏈路層，而會出現在其上層

注意：

以太網則不需要，802.11無線局域網要求底層實現可靠傳輸

可靠傳輸的三種方式： 停止-等待協議SW；回退N幀協議GBN;選擇重傳協議SR; 這三種可靠傳輸的實現並不僅限於數據鏈路層，可以應用計算機網絡體系結構中的各層協議中。

4.2 停止-等待協議

收發雙方基於互聯網進行通信，而不是侷限與點對點的鏈路
發送方給接受方發送數據分組，接受方接受到後對其進行差錯檢測
若沒有誤碼，則接受該數據分組，並給發送方發送確認分組，簡稱爲ACK;
接受方接受到ACK後，才能發送下一個分組；
假設在傳輸過程中出現了誤碼；接受方接受到後對其進行差錯檢測，發現了誤碼，則丟棄該數據分組；並給發送方發送否認分組，簡稱爲NAK;
發送方收到所發送數據分組的否認分組後，就知道之前發送的數據分組出現了差錯而被拒絕接受，立即重新發送數據分組，因此發送方每發送完一個數據分組後，並不能立刻將該數據分組從緩存中刪除；只有在收到針對該數據分組的確認分組後，才能將其從緩存中刪除
發送方發送完一個分組後，需要等待接受方發送回來確認分組後才繼續往後發送；這樣就確定發送方發送什麼接受方都能接受到；但實際情況比上面複雜；

發送方給接受方發送數據分組，然而該數據分組在傳輸過程中丟失了；（數據鏈路層點對點信道而言，不太容易出現這種情況，但對於多個網絡通過多個路由器互連的複雜互聯網環境而言，這種情況比較常見）
如果上述情況中，ACK確認數據丟失了，將會怎麼辦呢；這種情況必然會造成先前發送的數據分組的超時重傳。如果中超時重傳的數據分組也到達了接收方，那麼接收方如何判斷該數據分組是否是一個重複的分組呢？