数据链路层（计算机网络，待完善）

news2024/11/23 2:55:23

0、前言

本文大多数图片都来自于 B站UP主：湖科大教书匠的教学视频，对高军老师及其团队制作出这么优质的课程表示感谢。文章增加了部分个人理解，内容并不是对视频的静态化翻译。

1、概述

1.1、数据链路层在计算机网络体系中的位置

在这里插入图片描述

1.2、对 MAC 地址的理解

MAC 地址并不是针对主机（或路由器）而言的，而是针对网卡（或路由器的接口）而言的，每一张网卡都有一个MAC地址：

一台主机一般有以太网卡（有线网卡，Ethernet）和无线网卡（WLAN，Wireless LAN），在 Windows 系统上可以通过 ipconfig /all 进行查看
路由器的每一个接口可以认为是一张网卡（暂时这么认为），下图是通过 Packet Tracer 查看 Router1941 的配置项

1.3、认识网卡（网络适配器）

在这里插入图片描述

核心芯片：其中有 数据缓冲区，用于缓冲发送或接收到的数据
PCI 接口：Linux 系统中可以通过 lspci 来查看 PCI 设备，可以认为是 ls pci 的组合命令。
曾在个人笔记本上安装 CentOS 7、Kali Linux、Ubuntu等，但无论怎么重装，都出现 WiFi 不可用的问题，也就是无线网卡的问题。在寻找解决方案的过程中，会遇到一些文章中提到 lspci | grep net 来查看网卡
EEPROM：可编程电可擦除只读芯片，存储 MAC 地址

除了物理网卡，还要一些虚拟网卡，例如：

在 Linux 系统上使用 ip address 可以查看到有一张名为 lo 的网卡，这就是用于本地回环测试¹的网卡
在使用 VMWare 等虚拟机软件后，可以看到操作系统中会多出一些 VMnet8、VMnet1 这些用于和虚拟机通信的虚拟网卡

二、数据链路层的机制（理论）

数据链路层要解决的三个问题：

封装成帧和透明传输
差错检测
可靠传输

2.1、封装成帧和透明传输

2.1.1、封装成帧

要考虑的问题是：上层传递过来的数据最终以 bit 流（面向比特的链路）或 byte 流（面向字节的链路），需要一种机制使得接收方能够区分数据的开始和数据结束。

方式一：插入帧定界符
PPP 协议采用该方案，存在缺陷的原理如下：

约定起始符号和终止符号（可以是同一个，记为 FLAG，PPP 协议中该值是 0x7E，二进制形式为 01111110）
遇到第一个 FLAG 认为是数据开始，遇到第二个 FLAG 认为是数据结束

方式二：采用帧间间隔
以太网协议采用该方案，原理如下：

插入前导码（同步+起始符的功能）
传输完一个帧后，等待一个帧间间隔（28us）后再传输下一个帧。

相当于采用 NULL 来作为终止符，即一段时间不传输数据，来接收方来确定帧结束

2.1.2、透明传输（完善的帧定界符方案）

帧定界符方案存在一个问题：如果上层传递过来的数据中存在 FLAG 这个值，那么就会发生误判，如下图所示
在这里插入图片描述

透明传输要解决的正是这个问题：让数据荷载中可以包含任意数据。上层不需要关系底层细节，即透明。

相似问题：

如何在一个字符串中包含 " 符号？

基于字节的解决方案：使用转义字符（ESC，PPP协议中该值为 0x7D）

综上所述，使用透明传输需要发送方和接收方都对数据进行额外的处理（开销），具体过程如下：

发送方发送数据时，扫描帧的数据荷载部分，对其中的 FLAG、ESC 都进行转义（细节），即在前面插入 1B 的 ESC 字符
接收方接收数据时，扫描帧的数据荷载部分，当发现 ESC 时，就不对下一个字节的数据进行判断，直接提取即可。当需要判断的时候发现 FLAG，那么说明数据结束。

基于比特的解决方案：改造数据荷载，让数据荷载中不出现 FLAG（01111110）这个序列，且接收方能够还原
FLAG 中间出现连续 6 位 1，因此只需要遍历数据荷载中的每一比特，当发现 5 个连续比特位为 1 时，再其后插入 1 位 0，即 5110。

4110、3110、2110、1110、0110 这些方案都是可行的，都可以保证数据荷载中不会出现 FLAG 这个序列。之所以选择 5110，是因为它的开销最小，假如采用 0110，那么相当于在原来数据的基础上扩充了一倍的数据长度，那么 1500 B 的数据荷载就需要分成两次进行发送，增加了开销。
PPP 协议中发送除了插入转义字符外，还会将其后的数据（待转义的字节数据，即 FLAG 和 ESC）和 0x20 进行异或。接收方在提取该字符时，会再和 0x20 进行异或来还原。这本质上也是保证数据荷载中不会出现 FLAG 字符，和基于比特的解决方案在本质上异曲同工，但个人这里有点疑惑，因为感觉这个步骤是可以没有的，不理解为什么 PPP 协议要这么做？

2.2、差错检测

2.2.1、奇偶校验

奇校验：添加一个比特位，使得数据中比特 1 的总数为奇数
偶校验：添加一个比特位，使得数据中比特 1 的总数为偶数

2.2.2、CRC 循环冗余校验

以太网（Ethernet）、PPP 协议中均采用该方式进行差错检测，且以太网中如果出现帧错误，会直接丢弃帧，而不会重传。

帧错误的情况

MAC 帧的长度不是 8k bit（其中 k = 1,2,…）。即字节流
MAC 帧长度不在 [64, 1518] 之间
FCS 帧检测错误

FCS 的计算过程

发送方和接收方约定生成多项式，例如，G(X) = X^4 + X^2 + X + 1
发送方：数据对齐、模二除法（异或）
若生成多项式是 n 阶多项式，则在待发送数据后面补 n-1 个 0。最后得到的余数即为 FCS（帧检验序列，n-1 位）
接收方：模二除法（异或）
接收数据后，用约定的生成多项式进行模二除法，如果最后能够整除，则认为没有出现错误，否则一定出现错误。