CN.StudyLog.Ch4.Datalink Layer.数据链路层（Part1.数据链路层的三个基本问题&点到点信道的数据链路）
数据链路层的主要内容：数据在通过不同的数据链路时，使用的协议和通讯机制。
数据链路：接集线器的网，路由器与路由器相连的链路，等。
不同的数据链路通讯的机制也不一样。数据包在经过不同的数据链路时，会用不同的数据帧格式封装在信道中传递。
这一章的主要内容是PPP协议和CSMA/CD协议的帧封装和数据链路。分三大部分（数据链路层的基本问题，点到点信道的数据链路，广播信道的数据链路）
数据链路层的基本问题
首先明确数据链路和链路的定义。
链路：物理线路。中间没有其他的交换节点。注意集线器和交换机不同，集线器的功能就是网线，所以在链路这一定义上，集线器是可以忽略的。
数据链路：某一链路+协议。（CSMA/CD PPP 帧中继）等协议
封装成帧
帧：帧是数据包封装后在数据链路中传输的数据包的载体。数据包是有效数据，但是必须加工成数据帧后才能在特定的数据链路里传输。不同的数据链路要求的帧格式不同。
上图表示的过程是一次数据链路和的帧封装和解封过程。看下图
假设数据包从VMnet1发送到VMnet8。其中VMnet1到R1，R1到R2，R2到VMnet8，这三条链路每条链路都有一个这样的过程（合计封装-解封三次），而不是从始至终只有一个这样的封装解封过程。
IP数据报是网络层发下来的，这一部分作为帧的数据部分，然后加帧首尾。首部会增加数据链路层的字段，如果是以太网的话需要加目标MAC地址和源MAC地址。尾部会增加校验序列FCS。开始和结束符可以让接收端确认接收时明确这是一个数据帧，才能判断是否有错和源源不断传过来的数据中哪些是一个整体。
接收端收到帧后，会判断是否有错误。比如是否因电磁干扰导致通讯过程中某些数字信号没有正确读取，比如0变1或1变0等。接收端的数据链路层要求能够判断出数据链路中传输时发生的错误，这时就利用FCS的值来判断传输过程中是否有错。
MTU：最大传输单元：不同的数据链路里MTU不同，以太网是最大1500字节（byte）。
Ps)MTU可以人工改小，改小后可能出现的问题：以太网传输过来一个1500字节的数据包，然后MTU设定为1000，则此时会把这个数据包分成两片。
透明传输
首尾两标识符应该是数据部分出现频率尽可能低的字符，因为字符本质就是一byte，八位二进制数。如果数据部分出现了这种标识符，会导致接收端截断数据部分或丢掉部分数据而发生错误。
ASCII表，右边是键盘可以直接输入的字符，而左边部分是不能直接输入的字符，其中就定义了SOH和EOT两个标识符。这种标识符在输入数据的传输过程中一定不会出现异常，因为这些标识符无法从外设输入。但是如果传输的是图片或者其他程序，则有可能会出现这些标识符。
解决方法：利用转义字符ESC
在链路上传播时，首尾标识符和与ESC相同的构成的数据段之前加上ESC标识符。然后接收端在接收数据时会早一步接收ESC字符，明确接下来要接受的是首尾标识符或者是与ESC相同构成的有效数据，则不会截断数据。在接收到一个没有ESC的结束符后会确定这是一个完整的帧。接收后会重读有效数据，会以一种见到ESC去掉并保留下一字符数据的规则去掉ESC。这样就能保证标识符和与ESC相同的数据不会被删除。
（如果是两端ESC连续的有效数据，则接收后应该会有4个连续ESC存在，去1留1最后仍然是2个连续的ESC作为有效数据）
插入转义字符是数据链路层完成的。转义字符的插入会导致数据部分数据量变大，但是这个数据量并不受限于MTU的最大容量。加上转义字符后的数据部分其容量可以大于MTU。
差错检验
FCS负责校验错误，如果检查出错误则会丢掉，不负责重传。检验的是有效数据部分+数据链路层首部的部分，不检验标识符。
CRC计算的注意事项：
1.对与发送端，想要得到的FCS是几位，那么就在刚才说的需要检验的数据后面加几个0，三位就是加三个，四位加四个。对于接收端，数据后加得到的FCS并处以除数即可。
2.除数任选，只要保证位数是FCS位数+1即可
3.除数对于发送端和接收端要一致。
计算方法：只要位数足够就商1，商1后结果做异或运算
4.对于接收端，如果运算结果余数为0，则说明传输无误，如果有余数，则说明有错误直接丢掉，该数据包丢包。
Ps)还有其他的算法， 但是不管怎么算的，这里重点是明确FCS的作用。
点到点信道的数据链路
常见点到点信道：
1.路由器广域网接口只有一个发送端和接收端
2.ADSL拨号上网，调制解调器到ISP的信道
在点到点的链路上使用PPP协议。点到点链路上不需要知道源地址和目标地址，因为只有两个地址。
PPP协议
1.PPP协议的特点
1）简单：出现差错后直接扔掉，不提供可靠传输（CRC检查出错丢掉，无错误交给网络层）
2）封装成帧:首尾标识符
3）透明传输：转义字符ESC
4）差错检测：CRC计算FCS
5）支持多种网络层协议：IPv4&6协议都可以封装到PPP帧中
6）支持多种类型的链路：光纤、铜线 、同步传输，异步传输，串行或并行链路
7）检测连接状态：平时不小心碰到电话线导致ADSL拨号上网失效，然后不小心又接上了，这时候不需要专门的去做什么，网络会自动连接好
8）最大传输单元MTU：不特殊指定的情况下PPP和CSMA/CD都是最大1500字节
9）网络层地址协商：ISP会给电脑分配一个IP、DNS。子网掩码、网关
10）数据压缩协商： 传数据之前判断是否需要压缩后再传
2.组成部分
有三格组成部分。
1.最底层||高级数据链路控制协议HDLC：网络层传下来的数据把它封装成能够在串行链路上发送的格式。
广域网一般是串行通信，并行通信多用于近距离通信。
并行：一台设备上连接很多根线缆，每根线缆单位时间内传输1bit的话，那么八根线缆单位时间内就可以传输一byte。可以将数据分散并传播，提高效率。成本大。
串行：一根线缆上传递数据，效率低于并行。
2.中层|链路控制协议LCP：点到点通信建立连接，确认之间的一些参数。比如验证账号密码是否正确，
3.顶层|网络控制协议NCP：用来标识上层多种协议，可以把他们封装到PPP协议里。
透明传输
为了实现透明传输，我们需要开始和结束标识符，而如果数据段出现了与首尾标识符相同构造的数据，则需要使用一定的填充方法来规避数据截断的问题。
填充方法在PPP协议中有两种，分别是0比特填充和字符填充，应用场景不同选择也不同。
同步和异步传输
时钟同步的必要性：发送数据帧的过程中必须要求数据链路的两端时钟同步，时钟同步代表着能够明确码元边界，才能完整的收发数据帧。否则，如果两端时钟不一致，识别时可能会把不完整的数据纳入或者丢失导致错误。适合长距离通信，但是少拉一根线就节省不少成本。
短距离高速传输中，可以用一条专门的线路来传输时钟信号，一条用来收发数据。
异步传输：以字符为单位传输数据，发完一个字符就有一段空闲位。全部收完后，接收端再组装成一个完整的帧。
PPP帧填充方式
对于异步传输，使用字节填充。因为异步填充以字节为单位传输；而不同传输是把一个帧作为单位传出去，PPP协议就使用零比特填充
使用转义字符来完成透明传输，转义字符被定义为7D。
RFC1662规定了如下填充方法：
(1)把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列(0x7D，0x5E)。
(2)若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)，则把转义字符0x7D转变为2字节序列(0x7D，0x5D)。
(3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。例如，出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2字节序列的(0x7D，0x31)。
零比特填充的方法：
通俗点来讲，就是标识符是0x7E,还原成二进制就是0111 1110，我们可以看到这一序列中间有6个连续的1，零比特填充就是基于这种方式。发送端在发送数据时，扫描除去标识符以外的数据段，然后每五个1就插入一个0，保证信息段不会穿结束/开始标识符。这样做如果数据段有6个1会变成1111 101 而如果原本数据段就是1111 101则会变成 1111 1001，接收端接收时会在五位1之后剔除一个0，而标识符的六个连续1之间没有0自然也不会被剔除0，这样就保证了 透明传输。