数据链路层 ，数据链路层的主要功能，数据链路层的协议，数据链路层的设备。

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本章重点

1. 了解封装成帧的原理
2. 掌握PPP协议的作用及实现原理
3. 熟悉链路层的网络设备和工作原理

数据链路层负责将物理层数据 「透明」且 「可靠」的传输到网络层。

透明传输

透明是指，链路层传输数据的方式是透明的，也就是透明传输。
这个透明相对的，从上层的角度看，链路层只是一个「通道」，「只传输」数据，而「不处理」数据。
但实际上，链路层会处理数据，只是处理的过程，不向上层展示（上层并不在乎你怎么处理，上层只希望你把数据传输过来）。

一、封装成帧

链路层处理数据的第一步，就是封装成帧。封装成帧是指，将传输的数据「分隔」成多组数据，每一组数据称为一个数据帧，当传输出现差错时，只需要重发数据帧，而不再重传所有的数据。

链路层的差错控制和流量处理功能，都是在组帧的基础上实现的。

点击此连接深入了解什么是透明传输以及封装成帧的方式。

二、链路层的功能

数据传输过程中，由于外界不可控因素造成的冲击噪声，会使数据的传输出现差错。

1. 差错控制

这种差错可以分为两种：「位错」和「帧错」。

位错就是比特位出现差错，比如1变成0，或0变成1。

帧错就是数据帧出现差错，比如帧丢失、帧重复、帧失序。

这种差错通常会用编码技术来解决，比如：奇偶校验码和海明码。

1.1 奇偶校验码

奇偶校验码根据二进制数据中「1的个数」来判断数据的完整性。

比如，数据传输前有奇数个1，传输后却变成了偶数个1，就判定数据传输出现了差错，重新发送这个数据帧。

点击此连接了解奇偶校验码的检错原理。

1.2 海明码

海明码算是奇偶校验码的升级版，是一种「多重校验」。

他将数据帧分为多个小组，每个小组都进行一次奇偶校验，从而指出具体的差错位置，进而纠错。

2. 流量控制

当发送数据「过快」时，接收方就会发生「阻塞」，导致数据帧的「丢失」。

因此，我们需要对发送的数据流量进行管控，也就是流量控制；

流量控制的协议有很多，我们来一个一个了解。

2.1 停止等待协议

停止等待协议很简单，每发送完一个帧就停止发送，等待对方「确认」；

收到对方的确认帧后再发送下一个帧。

停止等待协议可以保证数据不丢包或包乱序，但利用率不高。

2.2 滑动窗口协议

滑动窗口是指，在「窗口」允许的范围内，可以「同时发送多个数据」。

比如，窗口的大小设置为6个，发送方发送一个数据，在没有收到确认帧的情况下，仍然可以发送第二个、第三个数据，以此类推，可以同时发送五个数据。

当同时有6个数据没有收到确认帧时，就到达了窗口的数量上限，发送方将停止发送数据，等待接收方的确认帧，每收到一个确认帧，就可以再发送一个数据。

需要注意的是：滑动窗口的大小最好等于接收窗口的大小（大了会溢出，小了没意义）

2.2.1 后退N帧协议（GBN）

GBN协议是滑动窗口机制的一种应用协议。采用「累积确认机制」，如果某一个帧未收到确认，则重新发送窗口内这个帧以及前面的所有帧。

GBN协议有一个「缺点」，如果某个帧超时，即使之前的帧已经成功被接收，仍然会被重新发送，从而造成「资源浪费」。而选择重传协议可以解决这个问题。

2.2.2 选择重传协议（SR）

选择重传协议是滑动窗口机制的另一个应用协议，他在GBN协议的基础上取消了累积确认的机制，采用「一个数据对应一个确认帧」的方式，在窗口大小允许的范围内同时传递多个数据，只有超时的数据才会重传，未超时的数据不会重传。

三、链路层的协议

1. PPP协议

PPP协议（Point to Point Protocol），翻译成中文是「点对点协议」，是链路层的数据通信协议，检错但不纠错，是一种不可靠的传输协议。

1）通信开始时，调制解调器确认拨号，并建立物理连接。

2）而后链路控制协议（LCP）建立通信链路，发送数据帧。

3）网络控制协议（NCP）给接入的主机分配临时IP地址。

4）通信完毕时，网络控制协议（NCP）回收IP地址。

5）链路控制协议（LCP）断开通信链路。

6）最后释放物理层的连接。

四、链路层设备

物理层的集线器可扩展的「网络距离」有限，想要实现远距离的网络通信，需要借助链路层的网桥或交换机。

1. 网桥

网桥是早期的「两端口」二层网络设备，后来被更多端口的交换机取代。

网桥也叫桥接器，可以连接两个局域网，一个端口连接一个网段，根据数据帧的目的MAC地址转发到对应接口的网络。

1.1 工作原理

1）网桥中有一个「网桥表」，保存「MAC地址」和「接口」的对应关系。

2）数据帧经过网桥时，先在网桥表中搜索「源MAC地址」：

• 如果不存在，就学习新MAC地址，将地址与对应的接口保存到表中；

3）然后再搜索「目的MAC地址」：

• ​ 如果存在，就转发到地址对应的接口； ​
• 如果不存在，就转发到其他所有的网络。

1.2 网桥和路由器的区别

网桥和路由器都是连接两个网络的设备。但网桥是「存储转发」设备，路由器是「路径选择」设备。

他们的区别主要体现在四个方面：

1）端口方面：网桥只有两个端口，而路由器最少16个端口，最多48个端口。

2）网络方面：网桥只能连接两个相同网络，而路由器可以连接多个不同的网络。

3）广播方面：网桥不隔离广播，而路由器可以隔离广播

4）工作层次方面：网桥是二层设备，不考虑使用的协议报文；而路由器是三层设备，需要处理协议和报文。

2. 交换机

交换机相当于「多端口网桥」，每个端口都具有桥接功能，根据MAC地址在多个网络间交换数据帧。

交换机可以“学习”新的MAC地址，并存储在内部的地址表中，在发送者和接受者之间建立临时路径，完成数据的交换。

交换机的工作原理与网桥大同小异，这里不再阐述。