網絡基礎之數據鏈路層

數據鏈路層概述

數據鏈路層（Data Link Layer，DLL）是OSI七層參考模 型的第二層，屬於低三層中的中間一層。數據鏈路可以粗 略地理解爲數據通道。物理層要爲終端設備間的數據通信 提供傳輸媒體及連接。
數據鏈路層協議是爲收發對等實體間保持一致而制定的， 也爲了順利完成對網絡層的服務。數據鏈路層協議分爲 “面向字符”和“面向比特”兩類。

1.面向字符的鏈路層協議

1. ISO的IS1747～1975：稱爲“數據通信系統的基本型控制 規程”，利用10個控制字符完成鏈路的建立、拆除及數據 交換。對幀的收發情況及差錯恢復也是靠這些字符來完成 的。如基本型傳輸控制規程及其擴充部分（BM和XBM） 協議。

2. IBM的二進制同步通信規程（BSC）。

3. DEC的數字數據通信報文協議（DDCMP）。

4. PPP（點對點協議）。

2.面向比特的鏈路層協議

5. IBM的SNA網絡使用的數據鏈路協議SDLC （Synchronous Data Link Control），同步數據鏈路控制 協議）；
6. ANSI修改SDLC協議後，提出的ADCCP（Advanced Data Communication Control Procedure，高級數據通信 控制規程）；
7. ISO修改SDLC協議後，提出的HDLC（High-level Data Link Control，高級數據鏈路控制）；

數據鏈路層的主要功能

數據鏈路層最基本的服務是將源計算機網絡層傳來的數據 可靠地傳輸到相鄰節點的目標計算機的網絡層。
主要的功能如下：

1. 幀同步
2. 差錯控制
3. 流量控制
4. 鏈路管理
5. 透明傳輸

幀同步

爲了向網絡層提供服務，數據鏈路層必須使用物理層提供 的服務。而物理層是以比特流進行傳輸的，這種比特流傳 輸並不保證在數據傳輸過程中沒有錯誤，接收到的位數量 可能少於、等於或者多於發送的位數量。而且它們還可能 有不同的值，這時數據鏈路層爲了能實現數據有效的差錯 控制，就採用了一種“幀”的數據塊進行傳輸。而要採幀 格式傳輸，就必須有相應的幀同步技術，這就是數據鏈路 層的“成幀”（也稱爲“幀同步”）功能。

1.字符計數法

這種幀同步方法是一種面向字節的同步規程，是利用幀頭 部中的一個域來指定該幀中的字符數，以一個特殊字符表 徵一幀的起始，並以一個專門字段來標明幀內的字符數。

同步原理

接收方可以通過對該特殊字符的識別從比特流中區分出幀 的起始，並從專門字段中獲知該幀中隨後跟隨的數據字符 數，從而可確定出幀的終止位置。
例如：DEC公司的數據通信報協議

常見標誌：

1. SOH：報頭開始標誌
2. STX：文本開始標誌
3. ETX：文本終止標誌
4. EOT：發送完畢標誌
5. ACK：確認標誌
6. DLE：轉義標誌
7. CRC：循環冗餘校驗

2.字符填充的首位定界符法

該同步方法是用一些特定的字符來定界一幀的起始與終止， 充分解決了錯誤發生之後重新同步的問題。

同步原理

在這種幀同步方式中，爲了不使數據信息位中與特定字符 相同的字符被誤判爲幀的首尾定界符，可以在這種數據幀 的幀頭填充一個轉義控制字符（DLE STX，Data Link Escape – Start of Text），在幀的結尾則以DLE ETX （Data Link Escape-End of Text）結束，以示區別，從而達到數據的透明性。

在實際應用中爲逆邏輯
即：DLESTX爲開始，DLEETX爲結束，這會使得轉義量大大減少。

3. 比特填充的首位定界符法

是以一組特定的比特模式 （如01111110）來標誌一幀的起始與終止，它允許任意 長度的位碼，也允許任意每個字符有任意長度的位。它的 工作原理是在每一幀的開始和結束位置都加上一個特殊的 位模式，如01111110。當發送方的數據鏈路層傳到數據 中5個“1” （因爲特定模式中是有5個連續“1”）時， 自動在輸出位流中填充一個“0”。在接收方，當收到連 續5個“1”，並且後面位是“0”時，自動刪除該“0”位。 就好像字節填充過程對於雙方計算機中的網絡層是完全透明的一樣。

4.違法編碼

該法在物理層採用特定的比特編碼方法時採用。例如，曼 徹斯特編碼方法，是將數據比特“1”編碼成“高—低” 電平對，將數據比特“0”編碼成“低—高”電平對。而 “高—高”電平對和“低—低”電平對在數據比特中是違 法的。可以借用這些違法編碼序列來界定幀的起始與終止。 局域網IEEE 802標準中就採用了這種方法。

差錯控制

在解決了標識每一幀的起始和結束位置問題之後，還需要 解決數據傳輸中的差錯控制問題。就是如何確保所有的數 據幀最終在遞交給目標計算機上的網絡層時，能保證數據 的完整性，並且保持正確的順序。
在差錯控制功能中，主要採取糾錯碼、檢錯碼、反饋檢測、 自動重發等重傳技術。
通信信道的噪聲分爲兩類：熱噪聲和衝擊噪聲

差錯編碼方案

差錯校驗是採用某種手段去發現並糾正傳輸錯誤，發現差 錯甚至能糾正差錯的常用方法是對被傳送的信息進行適當 的編碼，它是給信息碼元加上冗餘碼元，並使冗餘碼元與 信息碼元之間具備某種關係，然後將信息碼元和冗餘碼元 一起通過信道發出。接收端接收到這兩種碼元后，檢驗它 們之間的關係是否符合發送端建立的關係，這樣就可以檢驗傳輸差錯，甚至可以糾錯。能校驗差錯的編碼稱檢錯碼 （Error-detecting Code），可以糾錯的編碼稱糾錯碼 （Error-correcting Code）。

奇偶校驗

奇偶校驗（Parity Check）是檢驗所傳輸的數據是否被正 確接收的一種簡單方法。發送方根據發送的字符後附加一 個校驗位0或1，接收方檢查此位是否還保持數據位的正確 關係，以判斷是否正確傳輸，奇偶校驗有奇校驗和偶校驗 等方式。

例如：100101 的偶校驗：1。數據中有三個1再增加一個1，1的個數爲偶數即可

CRC校驗

循環冗餘校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）即 CRC校驗，它是數據鏈路層中廣泛採用的校驗方式，在數據後面附加上用於差錯校驗的冗餘碼，在數據鏈路層的幀 結構中稱爲幀校驗序列（Frame Check Sequence， FCS）。

冗餘碼的位數常用的有12、16和32位，一般附加的用於 校驗的冗餘碼的位數越多，檢錯能力就越強，但傳輸的額 外開銷也越大。

例如：約定檢錯碼爲：m = 10011，數據爲 r = 10101100冗餘碼的計算：
已知檢錯碼m有5位

1. 在10101100後增加 m-1 =4個0，即爲：r1 = 101011000000；
2. 將增加之後的數據 r1 和檢錯碼 m 異或取值，例如數據前五位：10101異或10011=00110
3. 將前兩位0去除剩下110
4. 再將110用 r1 五位之後的補齊，得到下一次異或數據：11010以此類推，得到最終無法異或
5. 得到00011，取最後四位爲冗餘碼，即0011；
6. 最終傳輸到對端數據爲：101011000011；

有時檢錯碼會以：$C=x^4+x+1$ 以多項式的係數爲檢錯碼：10011 。

海明驗證

在糾錯碼方案中，“海明碼”是一種典型的糾錯方案。海 明碼是一種可以糾正一位或多位差錯的編碼。它利用在信 息位爲m位，增加r位冗餘位，構成一個n=m+r位的碼字， 然後用r個監督關係式產生的r個校正因子來區分無錯和在 碼字中的n個不同位置的一位錯。它必須滿足以下關係式： $2^r-1\geq m+r$
其中$2^r$爲編碼能力，即有幾種類型，減去1是減掉了全部正確的情況。

校驗位必須放在權得位置，即：1、2、4、8……

例如：數據爲：1101，使用海明校驗(採用偶校驗),求出其海明編碼。
已知有4位有效信息即m = 4；
根據公式： $2^r-1\geq m+r$求得r = 3，那麼n = 3+4 = 7；
若定義信息爲：a[3]；
校驗位爲：b[2]；
那麼各序號之間得對應關係爲：

海明序號	海明編碼
1	b[0]
2	b[1]
3	a[0]
4	b[2]
5	a[1]
6	a[2]
7	a[3]

1	2	3	4	5	6	7
			√	√	√	√
	√	√			√	√
√		√		√		√
		1		1	0	1

檢驗碼求算：

1. 找的b[0]列對應得√，
2. 在這一行中有3、5、7列有值，
3. 對他們進行偶校驗，得到b[0]=1

以此類推求算出所有檢驗碼，b = [1, 0, 0]

所以最終發送到對端得數據爲：1010101