【计算机网络篇】数据链路层功能|组帧|流量控制与可靠传输机制

数据链路层是OSI模型的第二层，主要负责在相邻网络节点间提供可靠的数据传输。它通过帧同步、差错控制和流量控制来确保数据的完整性和准确性。这一层使用MAC地址识别设备，并在物理层传输的比特流上添加控制信息，形成数据帧。常见的数据链路层协议包括以太网和PPP，它们定义了数据封装和传输的具体方法。在本书中重要程度仅次于网络层，是非常重要的学习章节。下面我将逐步为大家介绍其重点。

🎯一.数据链路层的功能

链路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。
数据链路层传送的是帧。

链路层就是把上层的网络层给它的这个数据包，装入到帧这个结构的数据部分，中间链路上的比特经过曼彻斯特或差分曼彻斯特等编码方式传输到对端。数据从结点A被传输到结点B后，B把数据取出。

**注意：**链路中间没有任何东西，顶多放中继器用来放大信号。

🎯二.组帧

🚦2.1封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。一个帧的帧长等于帧的数据部分长度加上帧首部和帧尾部的长度。首部和尾部作用的帧定界（即确定帧的界限）。

数据部分长度上限--最大传送单元MTU

🚦2.2透明传输

由于帧的开始和结束的标记是使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，否则就会出现帧定界的错误。

当数据部分是非ASCII码的文本文件时（如二进制代码的计算机程序或图像等），情况就不同了。如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT这种控制字符一样（见图3-6），数据链路层就会错误地"找到帧的边界"，把部分帧收下（误认为是个完整的帧），而把剩下的那部分数据丢弃（这部分找不到帧定界控制字符SOH）

✨2.2.1 解决透明传输问题

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'。

字节填充或字符填充--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。

如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前再加入一个转义字符。当接收端收到两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

该图表示用字节填充法解决透明传输问题。

✨2.2.2零比特填充

在发送端，只要发现有五个连续的1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除。

🚦2.3差错检测

在数据链路传送帧中，往往广泛的使用循环冗余检验CRC的检错技术。
为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS。
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的唯一方法。
接收端对收到的每一帧进行CRC检验，若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受；若余数R≠0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

在发送端，先把数据划分为组，假定每组 k个比特。现假定待传送的数据M=101001(k=6)。CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送(k + n)位。在所要发送的数据后面增加n位的冗余码，虽然增大了数据传输的开销，但却可以进行差错检测。

这n 位冗余码可用以下方法得出。用二进制的模 2 运算[插图]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)位的数除以收发双方事先商定的长度为(n + 1)位的除数P，得出商是Q而余数是R（n 位，比P少一位）。

🎯三.流量控制与可靠传输机制

🚦3.1流量控制，可靠传输，滑动窗口机制

✨基本概念

流量控制是确保发送方不会因为发送数据过快而导致接收方处理不过来的情况。TCP通过滑动窗口机制来实现流量控制，接收方根据自己的缓冲区容量来调整通告给发送方的窗口大小，从而控制发送方的数据发送速率。我们假设A是发送方，B是接收方，流量控制是控制发送方的发送速度和接收方的接受速度保持一致，即控制的是发送方。

滑动窗口机制是TCP协议中用于流量控制和可靠传输的一个重要技术。它允许发送方在没有收到确认应答的情况下，继续发送一定数量的数据，这个数量由窗口大小决定。这样可以有效提高数据传输的效率，因为它减少了发送方因为等待确认而产生的空闲时间。

滑动窗口机制还包括快速重传和超时重传机制。快速重传是指发送方在连续收到三个重复确认（即接收方请求重传丢失的数据包）时，立即重传丢失的数据包，而不是等待超时计时器到期。这样可以快速响应丢包情况，提高传输效率。

🚦 3.2停止-等待协议

✨3.2.1无差错情况和超时重传

"停止等待"就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。有两种情况会出现，分别是无差错情况和有差错情况。

在无差错情况中，A发送分组M1，发送完就暂停发送，等待B的确认。B收到了M1就向A发送确认。往后依此类推。

在有差错情况中，A向B发送时，出现了帧丢失的情况或B收到帧后检查发现有错误，此时，A就引入了超时重传机制。A由于没有收到B发送来的确认，因而重传前面发送过的分组。

✨3.2.2确认丢失和确认迟到

确认丢失 （a）A在设定的超时重传时间里没有收到B发送的确认信息，A无法判断数据处于丢失，出错或B发送的确认丢失某种状态，所以A继续向B传输原来未发送过去的数据M1，直到收到了确认信息，继续传输数据。

确认迟到 （b）在传输过程中没有出现任何差错，但B对分组M1的确认迟到了，A就会再向B发送数据M1，B在收到了重复的数据后删掉了其中一个，然后向A发送了确认信息。

✨3.2.3信道利用率

停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低

Td:分组帧的发送时间

RTT：端到端的传播时延

Ta：确认时间

在整个传输周期的利用率就是Td

在此过程中，信道利用率最大为100%，重要公式：k×Td/Td+RTT+Ta=1

发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停下来等待对方的确认。