本文內(nèi)容

??從本節(jié)開始介紹數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，數(shù)據(jù)鏈路層屬于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的低層，需要對其上層網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。本文主要介紹數(shù)據(jù)鏈路層的一些基本概念和數(shù)據(jù)鏈路層的兩個功能：封裝成幀和差錯控制衬衬。

1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

??(1) 節(jié)點(diǎn)：主要是指主機(jī)、路由器改橘。
??(2) 鏈路：網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)之間的物理通道滋尉。
??(3) 數(shù)據(jù)鏈路：網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)之間的邏輯通道，把實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路飞主。
??(4) 幀：鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元狮惜，封裝網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報。

??數(shù)據(jù)鏈路層的功能：在物理層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)碌识，其最基本的服務(wù)是將源自網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)可靠的傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)的目標(biāo)機(jī)網(wǎng)絡(luò)層碾篡。其主要作用是加強(qiáng)物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路丸冕，使之對網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無差錯的鏈路耽梅。

功能一：為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。無確認(rèn)無連接服務(wù)胖烛，有確認(rèn)無連接服務(wù)眼姐、有確認(rèn)有連接服務(wù)诅迷。
功能二：鏈路管理，即連接的建立众旗，維持罢杉。釋放（用于面向連接的服務(wù)）。
功能三：組幀贡歧。
功能四：流量控制滩租。
功能五：差錯控制。

2 封裝成幀

??組裝成幀就是在一段數(shù)據(jù)的前后部分添加首部和尾部利朵，這樣就構(gòu)成了一個幀律想。幀是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送單元。接收端再收到物理層上交的比特流后绍弟，就能根據(jù)首部和尾部的標(biāo)記技即，從收到的比特流中識別幀的開始和結(jié)束。

??首部和尾部包含很多控制信息樟遣，其中一個重要作用就是：幀定界（確定幀的界限）而叼。
??幀同步：接收方應(yīng)當(dāng)能夠從接收到的二進(jìn)制比特流中區(qū)分出幀的起始和終止。
??幀長：幀的數(shù)據(jù)部分長度加上幀首部和幀尾部的長度豹悬。
??最大傳送單元（MUT葵陵，Maximum Transfer Unit）：每一種鏈路層都規(guī)定了所能傳送幀的數(shù)據(jù)部分長度上限。
??組幀的四種方式：字符計數(shù)法瞻佛、字符填充法脱篙、零比特填充法、違規(guī)編碼法涤久。
??透明傳輸：指不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合涡尘，都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送。因此响迂，鏈路層就看不見有什么妨礙數(shù)據(jù)傳輸?shù)臇|西考抄。
??當(dāng)所傳的數(shù)據(jù)中的比特組恰巧與某一個控制信息完全一樣時，就必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┱嵬菇邮辗讲粫⑦@樣的錯誤認(rèn)為是某種控制信息川梅。這樣才能保證數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸是透明的。

例如如果傳送的比特流中數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)恰好和幀尾部相同然遏，那么在傳輸過程碰到該部分?jǐn)?shù)據(jù)時贫途，接收端可能誤認(rèn)為到這里傳輸結(jié)束了，那直接丟棄之后的數(shù)據(jù)了待侵，這就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不完整丢早，所以就要采取適當(dāng)?shù)拇胧词褂羞@些問題也要保證數(shù)據(jù)能正確的傳輸，保證鏈路層對任何數(shù)據(jù)都能傳送怨酝，在數(shù)據(jù)看來傀缩，鏈路層沒有東西妨礙自己傳送或者說鏈路層對數(shù)據(jù)是透明的。

??2.1 字符計數(shù)法

??字符計數(shù)法：幀首部使用一個計數(shù)字段（第一個字節(jié)）來表明幀的長度农猬。在接收時根據(jù)幀首部的字?jǐn)?shù)計數(shù)就可以知道一個幀的長度赡艰。

??缺點(diǎn)：如果其中某個幀的計數(shù)錯誤，那么會導(dǎo)致之后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部錯誤斤葱。

對于上圖慷垮，如果第1幀的計數(shù)在傳輸過程中發(fā)生錯誤又5變成了4，那么接收端在接收到4個字符就認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)接收完畢了揍堕，開始接收下一幀料身，認(rèn)為下一幀的字?jǐn)?shù)計數(shù)是4，下一幀的數(shù)據(jù)也會出錯.......最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤鹤啡。

??2.2 字符填充法

??當(dāng)數(shù)據(jù)時由可打印的ASCII碼組成的文本文件時惯驼，幀定界可以使用特殊的幀定界符蹲嚣〉莨澹控制字符SOH（Start Of Header）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始隙畜。另一個控制符EOT（End Of Transmission）表示幀結(jié)束抖部。SOH和EOT是控制符的名稱，它們的二進(jìn)制編碼分別是0000 0001和0000 0100议惰。

當(dāng)使用ASCII編碼時慎颗，一共有128個不同的ASCII碼，其中可打印的有95個言询，有33個是不可打印的俯萎，，SOH和EOT就是不可打印的編碼运杭，所以可以用來作為控制符夫啊。

如果轉(zhuǎn)義字符也在數(shù)據(jù)中云挟，同樣需要在轉(zhuǎn)義字符前再插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端接收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時转质，就刪除其中前面的一格個园欣。

??2.3 零比特填充法

零比特填充法幀的控制信息的首部和尾部是相同的。

??零比特填充法：在發(fā)送端休蟹，掃描整個信息字段沸枯，只要有連續(xù)的5個1，就立即填入1個0赂弓。在接收端收到一個幀時绑榴，先找到標(biāo)志字段確定邊界，再用硬件對比特流進(jìn)行掃描盈魁。發(fā)現(xiàn)連續(xù)5個1時翔怎，就把后面的0刪除。杨耙。

??零比特填充保證了透明傳輸赤套，在傳送的比特流中可以傳送任意比特組合，而不會引起對幀邊界的判斷錯誤珊膜。

??2.4 違規(guī)編碼法

??在曼徹斯特編碼中容握，一個碼元可以用前高后低表示1，前低后高表示0车柠，只有這兩種情況剔氏，不存在前高后高和前低后低這兩種情況。所以可以使用這兩種不存在的情況作為定界幀的起始和終止竹祷。

??由于字節(jié)計數(shù)法中的count字段的脆弱性（其值若有差錯將導(dǎo)致災(zāi)難性后果）及字符填充實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性和不兼容性谈跛，目前普遍使用的是比特填充和違規(guī)編碼法。

3 差錯控制

??差錯的由來：現(xiàn)實(shí)中的通信鏈路都不會是理想的塑陵，由于噪聲的存在感憾，比特在傳輸?shù)倪^程可能會產(chǎn)生差錯。
??噪聲分為全局性和局部性猿妈。

(1) 全局性噪聲是由于線路電氣特性所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲（熱噪聲）吹菱，是信道固有的，隨機(jī)存在的彭则△⑺ⅲ可以通過提高信噪比來減少或避免干擾。
(2) 局部性噪聲是外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲俯抖，是產(chǎn)生差錯的主要原因输瓜。可以利用編碼技術(shù)來解決。

??在數(shù)據(jù)傳輸過程中尤揣，差錯可以分為位錯和幀錯搔啊。

注：發(fā)送的幀為[#1]-[#2]-[#3]。

??差錯控制方法：檢錯編碼和糾錯編碼 北戏。

這里的差錯控制是針對的是比特錯负芋，幀錯后面再說。

?? 3.1 奇偶校驗(yàn)碼

??奇偶檢驗(yàn)碼分為奇檢驗(yàn)碼和偶檢驗(yàn)碼嗜愈。由n-1位信息元和在數(shù)據(jù)信息前的1位校驗(yàn)元組成旧蛾。

(1) 奇檢驗(yàn)碼：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的“1”的個數(shù)加上檢驗(yàn)元的“1”的個數(shù)為奇數(shù)蠕嫁，如果接收端的1的個數(shù)是偶數(shù)锨天，說明一定發(fā)生了錯誤。
(2) 偶檢驗(yàn)碼：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)剃毒，數(shù)據(jù)中的“1”的個數(shù)加上檢驗(yàn)元的“1”的個數(shù)為偶數(shù)病袄。如果接收端的1的個數(shù)是奇數(shù)，說明一定發(fā)生了錯誤赘阀。

??奇偶檢驗(yàn)碼的特點(diǎn)：
??(1) 奇偶檢驗(yàn)碼可以檢測比特錯益缠，但是不能檢測到是哪個比特出現(xiàn)差錯。

??例如纤壁，如果一個字符S的ASCII編碼從底到高一次為1100101左刽，采用奇校驗(yàn)，那么發(fā)送端發(fā)送的就是11100101（加上校驗(yàn)元酌媒，1的個數(shù)是奇數(shù)），經(jīng)過傳輸后迄靠，如果接收端收到的字符秒咨，如果是11100111，1的個數(shù)變成了6個掌挚，說明一定發(fā)生了錯誤雨席，但是不能檢測是哪個比特出現(xiàn)了錯誤。

??(2) 奇偶校驗(yàn)碼只能檢測出奇數(shù)個比特錯誤吠式，檢錯能力為50%陡厘。

??對于上例，如果接收端接收的數(shù)據(jù)是11010101特占，即發(fā)生了2位比特錯誤糙置，但是2個位錯正好相抵消，即一個由0變?yōu)?是目，另一個由1變成0谤饭，數(shù)據(jù)中的1個數(shù)仍然是5，所以同樣不能檢測出錯誤。同理揉抵，只有發(fā)生奇數(shù)個比特錯誤時亡容，才可以檢測出來。

?? 3.2 循環(huán)冗余碼CRC

??冗余編碼：在數(shù)據(jù)發(fā)送前冤今，先按某種關(guān)系附加上一定的冗余位闺兢，構(gòu)成一個符合某一規(guī)則的碼字后再發(fā)送。當(dāng)要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)變化時戏罢，相應(yīng)的冗余位也隨之變化列敲，使碼字遵從不變的規(guī)則。接收端根據(jù)收到的碼字是否仍符合原規(guī)則帖汞，從而判斷是否出錯戴而。
??循環(huán)冗余檢驗(yàn)原理：在發(fā)送端，假設(shè)要發(fā)送k個比特翩蘸，CRC運(yùn)算就是在這k個比特后添加供查錯檢驗(yàn)的n位冗余碼所意，n位冗余碼又稱為幀檢驗(yàn)序列FCS（Frame Check Sequence），然后構(gòu)成一個幀發(fā)送出去催首，一共發(fā)送（k + n）個位扶踊。這n位冗余碼可以通過發(fā)送的數(shù)據(jù)和一個數(shù)相除得來，這個數(shù)是收發(fā)雙發(fā)事先約定好的數(shù)郎任。接收端收到發(fā)送端發(fā)送的（k + n）位比特后秧耗，需要將這些比特位和FCS相除，如果余數(shù)是0舶治，表示沒有差錯就接收分井，反之，則丟棄霉猛。
??舉例說明：如果客戶端要發(fā)送的數(shù)據(jù)是M = 101001尺锚，除數(shù)多項(xiàng)式P = 1101。

(1) 先確定n的大小惜浅。由于1101 = 1 * 2³ + 1 * 2² + 0 * 2¹ + 1 * 2¹瘫辩，所以該多項(xiàng)式是3階，即（n = 3）坛悉，也就是如果多項(xiàng)式是N位伐厌，階就是N-1位，同樣如果除數(shù)多項(xiàng)式為11000裸影，那么階數(shù)就是4挣轨，n的值就是4。

(2) 計算n為冗余碼（FCS）空民。n位冗余碼是M 與 P的余數(shù)刃唐，先用n位的0代替冗余碼添加到M之后即被除數(shù)為101001000羞迷，然后在于P相除，所得的余數(shù)就是冗余碼画饥。

(3) 發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)就是101001001衔瓮。

(4) 如果接收端接收到的數(shù)據(jù)是101001001，那么同樣除以P抖甘，看余數(shù)是否為0热鞍。如果是0，表示數(shù)據(jù)沒有發(fā)生錯誤衔彻，則接受薇宠，反之則丟棄。

??FCS的生成以及接收端CRC檢驗(yàn)都是由硬件實(shí)現(xiàn)的艰额，處理很迅速澄港，因此不會延誤數(shù)據(jù)的傳輸。
??在數(shù)據(jù)鏈路層僅僅使用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯檢測技術(shù)柄沮，只能做到對幀的無差錯接收回梧，即凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀，都可以以非非常接近1的概率認(rèn)為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯祖搓。接收端丟棄的幀雖然曾經(jīng)接收到了狱意，但最終還是因?yàn)橛胁铄e被丟棄。所以通痴罚可以認(rèn)為：凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接收的幀均為無差錯详囤。

注：鏈路層使用CRC檢驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無比特差錯的傳輸镐作，只接受沒有錯誤的信息藏姐，丟棄錯誤的數(shù)據(jù)，但這并不是可靠傳輸滑肉。可靠傳輸是發(fā)送端發(fā)送什么包各，接收端就收到什么。

?? 3.3 海明碼

??海明碼可以發(fā)現(xiàn)雙比特錯靶庙，糾正單比特錯。
??工作流程：

(1) 確定校驗(yàn)碼位數(shù)r娃属。
(2) 確定檢驗(yàn)碼和數(shù)據(jù)的位置六荒。
(3) 求出校驗(yàn)碼的值。
(4) 檢錯并糾錯矾端。

??(1) 確定校驗(yàn)碼的位數(shù)r

??海明不等式：2^r ≥ k + r +1????????r為冗余信息位掏击，k為信息位。

??加入要發(fā)送的數(shù)據(jù)D = 101101秩铆，數(shù)據(jù)位數(shù)k = 6砚亭，帶入海明不等式灯变，滿足不等式的r最小值為4。即D = 101101的海明碼應(yīng)該有10（6 + 4）位捅膘。其中6位是數(shù)據(jù)位添祸，4位是檢驗(yàn)碼位。

??(2) 確定校驗(yàn)碼和數(shù)據(jù)的位置
??假設(shè)4為檢驗(yàn)碼分配為P₁寻仗、P₂刃泌、P₃、P₄署尤；數(shù)據(jù)從左到右分別為D₁耙替、D₂....D₆
??檢驗(yàn)碼要放在2的n次冪的位置，即1曹体、2俗扇、4、8這四個位置箕别。

??(3) 求出檢驗(yàn)碼的值

這里因?yàn)樽畲蟮奈粩?shù)就是10铜幽，10最少需要4個二進(jìn)制位表示，所以所有數(shù)據(jù)都是用4個二進(jìn)制位表示究孕。

??對于每一個校驗(yàn)碼都可以檢驗(yàn)一個或多個數(shù)字啥酱。

對于第一個檢驗(yàn)碼P₁，它負(fù)責(zé)檢驗(yàn)所有二進(jìn)制第4位（最后一位）是1的數(shù)據(jù)位厨诸，即數(shù)據(jù)位1镶殷、3、5微酬、7和9绘趋。P₁的值需要和這些數(shù)據(jù)位的數(shù)異或運(yùn)算，需要最后的結(jié)果是0來確定P₁的值颗管。所以P₁^ 1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 = 0陷遮，得P₁ = 0。

??對于第二個檢驗(yàn)碼P₂垦江，它負(fù)責(zé)校驗(yàn)所有二進(jìn)制位第3位是1的數(shù)據(jù)位帽馋，即數(shù)據(jù)位2、3比吭、6绽族、7、10衩藤，P₂的值計算方法和P₁相同吧慢，即P₂ ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 = 0，得P₂ = 0赏表。同理可以計算出其余的檢驗(yàn)碼的值检诗。

??所以求出數(shù)據(jù)的海明碼位0010011101匈仗。

??(4) 檢錯并糾錯
??假設(shè)在數(shù)據(jù)的傳輸過程中第5位出錯，因此接收到的數(shù)據(jù)位就是0010111101逢慌。接收端接收到數(shù)據(jù)后悠轩，會進(jìn)行檢錯，分別計算檢驗(yàn)碼與檢驗(yàn)的位的異或的值涕癣。

P₁和數(shù)據(jù)位3哗蜈、5、7坠韩、9的值作異或運(yùn)算：0 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 0 = 1;
P₂和數(shù)據(jù)位3距潘、6、7只搁、10的值作異或運(yùn)算：0 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 = 0;
P₃和數(shù)據(jù)位5音比、6、7的值作異或運(yùn)算：0 ^ 1 ^ 1 ^ 1= 1;
P₄和數(shù)據(jù)位9氢惋、10的值作異或運(yùn)算：1 ^ 0 ^ 1 = 0;

??將上述的值逆序組成一個二進(jìn)制數(shù)：0101洞翩，其所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)就是5，即第5位發(fā)生了錯誤焰望，所以直接將第5位的數(shù)變?yōu)?即可實(shí)現(xiàn)糾錯的功能骚亿。

4 小結(jié)

??本文完