计算机网络——链路层

链路层和运输层、网络层一样，根本目的都是将数据从源传输到目的地，只不过它们面对的
层次不一样，运输层面对的是进程到进程之间的通信，网络层面对的是主机到主机之间的通
信，而链路层则面对各个网络结点之间的通信。这里的结点指的是运行链路层协议的任何设
备，而连接这些结点的通信信道称为链路。

 

既然都是为传输数据所设计的服务，那么它们之间显然都需要面对相似的设计问题：
1.链路层是如何实现的？它提供了哪些服务？

2.相比于运输层将报文封装为报文段、网络层将报文段封装为数据报，链路层是如何将数据
报封装进链路层帧的？
3.运输层的TCP、UDP，网络层的IPv4、IPv6，它们在传输数据时，可以将源和目的地之间看
做是一个管子，而链路层确是一个个材质大小不同的管子拼接而成，这就使得在面对链路层
时不得不考虑数据在不同管子之间传输时的差异，即不同的链路采用的链路层协议相同吗？
4.在链路层中多个发送方和接收方共享同一信道时，我们如何解决传输碰撞问题？
5.与运输层的端口号、网络层的IP地址相比，我们如何标识链路中的各个结点呢？是采用编
址的方式吗？如果是，那么链路层编址如何与网络层编址一起运行？

下面将围绕这些问题来介绍链路层

 

链路层是如何实现的？

链路层是软件和硬件的结合体，链路层的主体部分是在网络适配器，又叫网络接口卡上实现
的，而位于网络适配器的核心是链路层控制器，该控制器是实现了众多链路层服务的专用芯
片，因此链路层的许多功能是硬件实现的，但任有部分链路层是由运行与主机CPU 上的软件
中实现的，它们实现了高层链路层功能，如：组装链路层寻址信息和激活控制器硬件。

链路层提供哪些服务？

在前面说过，链路层最根本的目的是将数据从源传递到目的地，但每一段通信链路所提供的
服务细节随着链路层协议的不同而变化。链路层协议提供的可能服务包括：

成帧：将数据报用链路层帧封装起来，每个帧由一个数据字段和若干个首部字段组成，其中
数据报就插在数据字段中。帧的结构由链路层协议决定，不同的链路层协议规定的帧格式也
可能不同。

链路接入：媒体访问控制MAC 协议规定了帧在链路上传输的规则，调节结点间的帧传输。

可靠交付：保证无差错地经链路层移动每个数据报，链路层可靠交付服务通常用于高差错率
的链路，而对于低比特差错的链路，可靠交付被认为是一种不必要的开销。

差错检测和纠正：在链路层中传输数据时，可能由于信号衰减或电磁噪声导致比特差错，而
转发一个存在比特差错的数据是没必要的，因而许多链路层协议提供了差错检测的机制。而
差错纠正则在于接收方不仅能检测出错误，还可以纠正这些错误。

差错检测和纠正技术是如何实现的？

由于各种原因，接收到的链路层帧可能存在比特差错。为了检测这种差错，我们在发送方将
差错检测和纠正比特EDC 放入链路层帧中，使得接收方检测出是否发生比特差错。但这并不
意味着所有的比特差错都会被检测出来。一般而言，差错检测与纠正技术越复杂，检测出所
有比特差错的概率越高，但这也意味着更多的计算量，更大的开销。

传输数据中检测差错的技术：

奇偶校验（用于描述差错检测和纠正背后的思想）
检验和方法（更多的运用于运输层）
循环冗余检测（更多的应用于适配器中的链路层）

如何控制链路层中使用同一信道的各个发送方与接收方行为？

我们知道有两种类型的网络链路：点对点链路和广播链路。而为这两种类型的网络链路已经
设计出了许多链路层协议。它们被用来解决协调各个发送方与接收方行为，减少帧的碰撞。

为点对点链路设计的：点对点协议PPP、高级链路数据控制HDLC协议
为多个发送方与接收方链路设计的：多路访问协议

这些年来，已经实现了几十种多路访问协议，对于这些协议，我们大致可以将其以下三类：

信道划分协议
随机接入协议
轮流协议

多录访问协议的具体例子：

时分多路复用TDM
频分多路复用FDM
码分多址CDMA

 

时隙ALOHA协议
载波侦听多路访问CSMA
具有碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD

 

轮训协议
令牌传递协议

链路层如何区分各个结点并在传输数据时正确寻址？

MAC地址：

在前面说过链路层的主体部分是在网络适配器，而事实上正是这些适配器具有链路层地址，
因此具有多个网络接口的主机和路由器将拥有多个链路层地址，链路层地址有多种不同的叫
法：LAN地址、物理地址、MAC地址。其中叫做MAC地址最为流行。MAC地址一个重要的性质是
没有两块适配器具有相同的MAC地址。与IP地址不同，随着设备在不同网络中移动，MAC地址
不会发生改变。

如何将MAC地址与IP地址相互转换？

对于因特网而言，完成这个任务采用的是 地址解析协议ARP

链路层交换机：

与网络层的路由器相似，链路层交换机的任务是接收入链路的帧并将其转发到出链路，交换
机自身对于网络中的路由器与主机来说是透明的。

交换机在收到一个帧时需要先决定将其丢弃还是转发到某个接口（过滤），然后决定将要被
转发的帧导向哪个接口（转发）。交换机转发分组是基于MAC地址， 交换机的过滤与转发是
借助交换机表完成，转发表是自动、动态和自治地建立的，不需要网络管理员或配置协议的
干预（自学习）。因此，交换机是一个即插即用设备。