[第一節(jié): 鏈路層的意義]

1.1 什么是鏈路

簡介

??在講解鏈路層之前，首先讓我們清楚一下什么是鏈路潜慎，來張圖：

數(shù)據(jù)鏈路.png

　　鏈路(Link)：是指從一個(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路（有線或無線），而中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)蓖康。在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)铐炫，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信路徑往往要經(jīng)過許多段這樣的鏈路∷夂福可見鏈路只是一條路徑的組成部分倒信。
　　數(shù)據(jù)鏈路(Data Link)：這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，除了必須有一條物理線路外泳梆，還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸鳖悠。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路∮琶睿現(xiàn)在最常用的方法是使用網(wǎng)絡(luò)適配器（既有硬件乘综，也包括軟件）來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議。一般的適配器都包括

??深入解讀：鏈路其實(shí)是物理層的信息傳輸?shù)脑O(shè)備套硼，可以理解為信道卡辰。而數(shù)據(jù)鏈路只是一個(gè)抽象的概念，可以理解為數(shù)據(jù)在傳輸過程中因?yàn)橥ㄐ乓?guī)則而走的某一條路徑熟菲。我們知道網(wǎng)絡(luò)都是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的看政，可以說條條網(wǎng)線通目的地，但是到底走哪條網(wǎng)線抄罕？是走最近的允蚣？還是走指定的？在鏈路層中會(huì)有對應(yīng)的協(xié)議來控制呆贿。
　　我們在讀下文的時(shí)候嚷兔，要有一個(gè)認(rèn)知前提：鏈路層并沒有物理鏈路，而是抽象上的鏈路做入，是建立在鏈路之上的冒晰，具體的實(shí)現(xiàn)其實(shí)是在數(shù)據(jù)的傳輸上對應(yīng)的物理設(shè)備，例如交換機(jī)竟块；所謂鏈路層只是在網(wǎng)線的物理鏈路的兩端通過達(dá)成的共同協(xié)議來解讀傳遞過來的信息壶运，然后將信息發(fā)送到指定的下一條鏈路中。如果鏈路層的設(shè)備不能解讀傳送過來的信息浪秘，那么就丟掉蒋情。

1.2 為什么需要鏈路層

白話

??在講解鏈路層之前埠况，我們先來回顧一下物理層，物理層存在的意義是為了傳輸信號(hào)棵癣，至于傳輸?shù)氖鞘裁次锢韺邮遣回?fù)責(zé)的辕翰。就像是我們的對話環(huán)境意義，物理層就像是空氣狈谊，我們通過空氣震動(dòng)傳遞聲音喜命，對方也在這個(gè)環(huán)境中，所以也能聽到我們發(fā)出的聲音河劝，聲音就是信號(hào)壁榕，物理層只是提供了一個(gè)信號(hào)傳遞的必要環(huán)境。
　　但是有聲音你不一定能解讀丧裁，就像是一個(gè)人說英語护桦，一個(gè)人說漢語含衔，同樣能發(fā)聲煎娇，能接收到信號(hào)，但是彼此缺并不知道信號(hào)的意義贪染，那信號(hào)也就沒有任何意義缓呛。
　　此時(shí)的英語或者漢語就是一種協(xié)議，當(dāng)然在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中也存在一定的問題杭隙，比如兩個(gè)說漢語的人交流哟绊，因?yàn)楦舻幂^遠(yuǎn)，因?yàn)樘鞖獾仍蛟斐蓺鈮翰环€(wěn)痰憎，或者風(fēng)較大票髓，都會(huì)使接收方收到的消息可能會(huì)有缺失或者誤差。
　　那么鏈路層主要解決的問題就是找到一種方式能讓彼此交流铣耘，讓對方知道你在說什么洽沟。

1.3 如何讓對方知道你在說什么？

前言

??現(xiàn)實(shí)生活中蜗细，兩個(gè)人要對話（具備通話的物理環(huán)境裆操，即都能收到對方傳過來的聲音），首先兩個(gè)人都要用相同的語言炉媒，而語言又是由單詞（包含長度踪区、發(fā)音等屬性），詞組吊骤，語法等構(gòu)成缎岗。
　　溝通的語言就相當(dāng)于協(xié)議，而協(xié)議的實(shí)現(xiàn)就沒有語言那么復(fù)雜了白粉，我們只需要讓傳遞的雙方知道我們這段數(shù)據(jù)是給誰的传泊，然后哪一部分是數(shù)據(jù)，什么時(shí)候結(jié)束就好了。至于數(shù)據(jù)的內(nèi)容是什么是需要目的地客戶端需要解析的掌敬。
　　現(xiàn)實(shí)生活中我們對話都是一句話一句話的說，那么數(shù)據(jù)傳輸也是一段一段傳輸?shù)模覀児苓@個(gè)叫做封裝成幀雅潭，中間還會(huì)遇到一些其他問題，為了解決這些問題椿浓，引入了透明傳輸和差錯(cuò)檢測兩種機(jī)制扳碍，下面我們來詳細(xì)解釋一下這三個(gè)基本問題。

• 封裝成幀：

??先來張概念圖，心里好有個(gè)數(shù)：

鏈路層封裝成幀.png

??其實(shí)封裝成幀來傳輸數(shù)據(jù)還可以這樣來理解：經(jīng)過物理層的闡述我們知道，數(shù)據(jù)傳輸是不可靠的，如果我們不進(jìn)行封裝成幀喷面，那么就是整個(gè)文件或者其他資源來傳輸琳状，如果出了問題，我們可能要從頭開始傳輸，或者需要判斷從哪里開始出現(xiàn)了問題，這就需要消耗不少的資源和復(fù)制的邏輯來重新傳輸或者判斷計(jì)算，所以我們需要找一個(gè)折中的值來包裝每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)痴晦，如果這個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問題，丟失了或者是出現(xiàn)了誤碼率琳彩，那么我們完全可以丟棄它，讓客戶端重新傳輸甚至不傳輸（如果對內(nèi)容的完整性允許有一定的損失的話部凑，例如視頻露乏、音頻的傳輸）。

??理解了為什么需要封裝成幀涂邀，接下來說一下如何封裝成幀瘟仿。　
　　入上圖所示比勉，因?yàn)閿?shù)據(jù)的發(fā)送是依賴于信號(hào)劳较，而信號(hào)又是連續(xù)的，那么如何區(qū)分一個(gè)幀從哪里開始到哪里結(jié)束呢浩聋？這就需要引入幀與幀之間的分隔符观蜗，也就是圖中的幀首部和幀尾部；中間部分就是我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)部分衣洁，為其命名為MTU墓捻，即Maximum Transmission Unit(最大傳輸單元)。

??插播：MTU的確定是很復(fù)雜的坊夫，RFC 1191 描述了“路徑最大傳輸單元發(fā)現(xiàn)方法”砖第，這是一種確定兩個(gè) IP 主機(jī)之間路徑最大傳輸單元的技術(shù)撤卢，其目的是為了避免 IP 分片。如果感興趣的同學(xué)可以自行查找資料梧兼，這里只做簡要解讀放吩。

• 透明傳輸（pass-through）：

??指的是在通訊中不管傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)內(nèi)容如何，只負(fù)責(zé)將傳輸?shù)膬?nèi)容由源地址傳輸?shù)侥康牡刂酚鸾埽粚I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容做任何改變屎慢。
　　在傳輸文本內(nèi)容的時(shí)候我們都是使用的ASCII碼，而我們知道ASCII是7位編碼忽洛，一共可組合成128個(gè)不同的ASCII碼腻惠，其中可打印的有95個(gè)，不可打印的控制字符有33個(gè)欲虚。我們可以選擇一些特殊的字符來做幀界定符集灌。
　　但是我們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不都是文本內(nèi)容（例如：二進(jìn)制的圖像等），這時(shí)候情況就不一樣了复哆，我們選擇的幀界定符可能就跟數(shù)據(jù)部分的可能會(huì)發(fā)生重復(fù)欣喧，這樣終端幀解析的時(shí)候就找不到正確的幀開頭和結(jié)尾了。
　　為了解決這個(gè)問題梯找，引入了轉(zhuǎn)義字符（Escape character）的概念唆阿，我們將一根特殊的字符作為轉(zhuǎn)義字符，當(dāng)發(fā)現(xiàn)幀界定符前面存在該轉(zhuǎn)義字符的時(shí)候锈锤，這個(gè)時(shí)候幀界定符所代表的就是數(shù)據(jù)驯鳖，而不是幀界定符。

字節(jié)填充法解決透明傳輸問題.png

• 差錯(cuò)檢測：

??差錯(cuò)檢測和透明傳輸一樣久免，也是在傳輸過程中發(fā)生的問題浅辙。
　　現(xiàn)實(shí)的通信鏈路都不會(huì)是理想的。這就是說阎姥，比特在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)：1可能會(huì)變成记舆，而0也可能變成1，這就叫做比特差錯(cuò)呼巴；比特差錯(cuò)是傳輸差錯(cuò)中的一種泽腮。在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所占傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率BER(BitErrorRate)衣赶。
　　因此诊赊，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)屑埋，必須采用各種差錯(cuò)檢測措施豪筝。
　　目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC(CyclicRedundancyCheck)的檢錯(cuò)技術(shù)。
　　分析到這里，我們可以發(fā)現(xiàn)续崖，如果如果我們在傳送數(shù)據(jù)時(shí)不以幀為單位來傳送敲街，那么就無法加入冗余碼以進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)。如果要在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)严望，就必須把數(shù)據(jù)劃分為幀多艇，每一幀都加上冗余碼，一幀接一幀地傳送像吻，然后在接收方逐幀進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)峻黍。這也是為什么要封裝成幀來傳送的一個(gè)原因。

重點(diǎn)拨匆，在數(shù)據(jù)鏈路層若僅僅使用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測技術(shù)姆涩，則只能做到對幀的無差錯(cuò)接受，可以理解為凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀均無差錯(cuò)惭每。
　　傳輸差錯(cuò)可分為兩大類：
　　　　一類就是前面所說的最基本的比特差錯(cuò)骨饿，
　　　　另一類傳輸差錯(cuò)則更復(fù)雜些，這就是收到的幀并沒有出現(xiàn)比特差錯(cuò)台腥，但卻出現(xiàn)了幀丟失宏赘、幀重復(fù)或幀失序。
綜上：鏈路層所謂“可靠傳輸”可以近似認(rèn)為：凡是數(shù)據(jù)鏈路層接收端接收到的幀均無差錯(cuò)黎侈。

??說明一：[無比特差錯(cuò)]與[無傳輸差錯(cuò)]并不是同樣的概念察署。
　　無差錯(cuò)傳輸理解為：在某一次傳輸任務(wù)（會(huì)有N多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸）中，接收端能準(zhǔn)確的接收到這次傳輸任務(wù)所表達(dá)的內(nèi)容峻汉。
　　無比特差錯(cuò)理解為：某一個(gè)數(shù)據(jù)幀在傳輸?shù)臅r(shí)候贴汪，接收端接收到的數(shù)據(jù)幀是無差錯(cuò)的。
　　也就是說俱济，在組裝數(shù)據(jù)幀的時(shí)候如果出現(xiàn)了問題例如幀丟失或者順序錯(cuò)誤的話嘶是，就不能認(rèn)為是無傳輸差錯(cuò)

??說明二：所以為了保證無傳輸差錯(cuò)在CRC檢錯(cuò)的基礎(chǔ)上，增加了幀編號(hào)蛛碌、確認(rèn)和重傳機(jī)制。收到正確的幀就要向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)辖源。發(fā)送端在一定的期限內(nèi)若沒有收到對方的確認(rèn)蔚携，就認(rèn)為出現(xiàn)了差錯(cuò)，因而就進(jìn)行重傳克饶，直到收到對方的確認(rèn)為止酝蜒。
　　這種方法在歷史上曾經(jīng)起到很好的作用。但現(xiàn)在的通信線路的質(zhì)量己經(jīng)大大提高了矾湃，由通信鏈路質(zhì)量不好引起差錯(cuò)的概率己經(jīng)大大降低亡脑。因此，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)就采取了區(qū)別對待的方法：
　　對于通信質(zhì)量良好的有線傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不使用確認(rèn)和重傳機(jī)制霉咨，即不要求數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)蛙紫。如果在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)了差錯(cuò)并且需要進(jìn)行改正，那么改正差錯(cuò)的任務(wù)就由上層協(xié)議（例如途戒，傳輸層的TCP協(xié)議）來完成坑傅。
　　對于通信質(zhì)量較差的無線傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議使用確認(rèn)和重傳機(jī)制喷斋，數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)唁毒。

1.4 總結(jié)

以上只是概念性的說明，具體的實(shí)現(xiàn)有很多思路星爪，具體的需要根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)使用的是什么協(xié)議來決定浆西。
　　數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要是點(diǎn)對點(diǎn)信道(PPP協(xié)議)和廣播信道(CSMA/CD協(xié)議)，具體就不展開做詳細(xì)介紹了顽腾，有興趣的同學(xué)可以自己查閱資料
　　協(xié)議可以理解為解決某種問題的一種解決辦法近零，所以只要是類似的問題都可以使用這種辦法解決，后面再計(jì)算機(jī)知識(shí)的學(xué)習(xí)中崔泵，也會(huì)發(fā)現(xiàn)很多相似的協(xié)議秒赤。

參考資料

• 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第7版）》-謝希仁
• 維基百科