计算机网络——数据链路层（1）

一、概述

        在计算机网络中，数据链路层承担着点对点通信的任务，用于跨物理层在网段节点之间参数数据。它在网络分层中处于物理层之上，网路层之下。

        在链路层的讨论中，我们将看到两种截然不同类型的链路层信道。第一种类型是广播信道，这种信道用于连接有线局域网、卫星网和混合光纤同轴电缆（Hybrid Fiber Coaxial cable,HFC）接入网中的多台主机。因为许多主机与相同的广播信道连接，需要所谓的媒体访问协议来协调帧传输。在某些场合中，可以使用中心控制器来协调传输。第二种类型的链路层信道是点对点通信链路，这在诸如长距离链路连接的两台路由器之间，或用户办公室计算机与它们所连接的邻近以太网交换机之间等场合经常能够发现。协调对点对点链路的访问较为简单。

二、链路层提供的服务

        尽管任一链路层的基本服务都是将数据报通过单一通信链路从一个节点移动到相邻节点，但所提供的服务细节能够随着链路层协议的不同而变化。链路层协议能够提供的可能服务包括：

2.1 成帧（framing)

        在每个网络层数据报经链路传送之前，几乎所有的链路层协议都要将其用链路层帧封装起来。一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成，其中络层数据报就插在数据字段中。帧的结构由链路层协议规定。

2.2 链路接入

        媒体访问控制（Medium Access Control,MAC）协议规定了帧在链路上传输的规则。对于在链路的一端仅有一个发送方、链路的另一端仅有一个接收方的点对点链路，MAC协议比较简单（或者不存在），即无论何时链路空闲，发送方都能够发送帧。更有趣的情况是当多个节点共享单个广播链路时，即所谓多路访问问题。这里，MAC协议用于协调多个节点的帧传输。

2.3 可靠交付

        当链路层协议提供可靠交付服务时，它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。前面讲过，某些运输层协议（例如 TCP）也提供可靠交付服务。与运输层可靠交付服务类似，链路层的可靠交付服务通常是通过确认和重传取得的。链路层可靠交付服务通常用于易于产生高差错率的链路，例如无线链路，其目的是本地（也就是在差错发生的链路上）纠正一个差错，而不是通过运输层或应用层协议迫使进行端到端的数据重传。然而，对于低比特差错的链路，包括光纤、同轴电缆和许多双绞铜线链路，链路层可靠交付可能会被认为是一种不必要的开销。由于这个原因，许多有线的链路层协议不提供可靠交付服务。

2.4 差错检测和纠正

        当帧中的一个比特作为1传输时，接收方节点中的链路层硬件可能不正确地将其判断为0，反之亦然。这种比特差错是由信号衰减和电磁噪声导致的。因为没有必要转发一个有差错的数据报，所以许多链路层协议提供一种机制来检测这样的比特差错。通过让发送节点在帧中包括差错检测比特，让接收节点进行差错检查，以此来完成这项工作。第3章和第4章讲过，因特网的运输层和网络层也提供了有限形式的差错检测，即因特网检验和。链路层的差错检测通常更复杂，并且用硬件实现。差错纠正类似于差错检测，区别在于接收方不仅能检测帧中出现的比特差错，而且能够准确地确定帧中的差错出现的位置（并因此纠正这些差错）。

三、MAC子层和LLC子层

        在局域网内，链路层又可以分成MAC（Media Access Control）子层和LLC（Logical Link Control）子层。这是因为802.3（局域网）是共享介质的，而广域网是专用的（通常是点对点的）不存在介质冲突的问题。在Windows 2000网络体系结构中，LLC子层是由传输驱动程序实现的，而MAC子层是由网络接口卡（NIC:网卡）来实现。

3.1 MAC子层

3.1.1 概述

        MAC子层是数据链路层的一个子层，它负责控制物理介质的访问，并决定哪个设备有权利发送数据。MAC子层的主要任务是解决多个设备共享同一物理介质时可能出现的冲突和竞争问题。不管是在传统的有线局域网（LAN）中还是在目前流行的无线局域网（WLAN）中，MAC协议都被广泛地应用。在传统局域网中，各种传输介质（铜缆、光线等）的物理层对应到相应的MAC层，目前普遍使用的网络采用的是IEEE 802.3的MAC层标准，采用CSMA/CD访问控制方式；而在无线局域网中，MAC所对应的标准为IEEE 802.11，其工作方式采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。

3.1.2 MAC子层的功能

• 媒体访问控制。MAC子层通过一定的协议来控制设备对物理介质的访问。常见的MAC协议包括CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）和CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）等。
• 帧的封装与解封装。MAC子层将上层数据封装成数据帧，以便在物理介质上传输。同时，它还负责从接收的数据帧中解封装出上层数据。
• 地址识别。每个网络设备都有一个唯一的MAC地址，MAC子层通过MAC地址来识别设备并确定数据帧的目的地。
• 错误检测与纠正。MAC子层可以检测并有时纠正数据传输中的错误，以确保数据的可靠性。

3.2 LLC子层

3.2.1 概述

        LLC子层是数据链路层的另一个子层，它位于MAC子层之上。LLC子层的主要作用是提供一个逻辑链接控制层，使不同类型的网络协议能够在同一物理介质上进行通信。它主要用于数据传输，充当网络层和数据链路层中的媒体访问控制（MAC）子层之间的接口。LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。它的工作原理是这样的：主机接收到帧并查看其LLC报头，以找到数据包的目的地，比如说，在网际层的IP协议。LLC子层也可以提供流量控制并控制比特流的排序。

3.2.2 LLC子层的功能

• 协议多路复用。LLC子层可以将不同的网络协议数据封装到同一个数据链路帧中，从而实现多个协议的复用。
• 协议多路。分解在接收端，LLC子层可以根据数据链路帧中的信息将数据分解给相应的协议处理模块。
• 流控制。LLC子层可以实现流控制机制，确保数据的可靠传输，避免数据丢失和重传。