3.1 数据链路层概述

在研究数据链路层时，我们可以只考虑数据链路层（不考虑网络体系结构的其他各层），换句话说，我们可以想象数据包只在数据链路层从左向右沿水平方向传送。所以主机H1到主机H2的通信，可以看成是在4段不同的链路上的通信组成的。

3.1.1 本章问题

需要注意的是，下面三个问题指的是点对点信道的数据链路层。
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封装成帧

如图所示，两台主机通过一段链路互连。两台主机都会对所发送或接收的数据包进行五个层次的封装或解封。

发送方将待发送的数据通过应用层封装成为应用层协议数据单元，然后交付给运输层。
运输层为其添加运输层协议首部，使之成为运输层协议数据单元，然后交付给网络层。
网络层为其添加网络层协议首部，使之成为网络层协议数据单元，然后交付给数据链路层。
数据链路层给网络层协议数据单元添加一个数据链路层协议首部，简称为帧头，还要给其添加一个帧尾。我们将数据链路层给网络层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾的操作，称为封装成帧。
添加帧头和帧尾的目的都是为了在链路上以帧为单元来传送数据，也就是为了实现数据链路层本身的功能。 如下例子：

差错检测

发送方将封装好的帧通过物理层发送到传输媒体，帧在传输过程中遭遇干扰后可能会出现误码（比如：比特0变为比特1）。
接收方通过检错码发现误码：

发送方在发送帧之前，基于待发送的数据和检错算法计算出检错码，并将其封装在帧尾。
接收方主机接收到帧后，通过检错码和检错算法就可以判断出帧在传输过程中是否出现了误码。

例如，以太网版本2的MAC帧的帧尾，就是4字节的帧验序列FCS字段，要写入该字段的内容就是检错码。

可靠传输

接收方主机收到有误码的帧后，是不会接受该帧的，将其丢弃。

如果数据链路层向其上层提供的是不可靠服务，那么丢弃就丢弃了，不会采取其他措施。
如果数据链路层向上层提供的是可靠服务，那么就还需要其他措施，来确保接收方主机还可以重新收到被丢弃的这个帧的正确副本。

尽管误码是不能完全避免的，但若能实现发送方发送什么，接收方就能收到什么，就称为可靠传输。

广播信道的数据链路层

对于广播信道的数据链路层（共享式局域网）除了包含这三个问题外，还有一些需要解决的问题。例如对下面的例子，问题如何解决？

主机怎么知道那些帧是发给自己的，即总线上的数据是否接收。——编址解决：将帧的目的地址添加到帧中一起传输。
当总线上多台主机同时使用总线来传输帧时，传输信号就会产生碰撞，这是采用广播信道的共享式局域网不可避免的。——以太网的解决方法是使用一种特殊的协议CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）。

网桥和交换机的工作原理

随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的、使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线（局域网）领域已完全取代了共享式局域网。但是，网络中的交换机是如何转发帧的呢？
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注意： 无线局域网任然使用的是共享信道技术。例如，802.11局域网采用的媒体接入控制协议是CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）。

3.2 封装成帧

3.2.1 封装成帧

封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。

帧头和帧尾中包含有重要的控制信息
帧头和帧尾的作用之一就是帧定界。
例如，PPP帧的帧头和帧尾中各包含有一个长度为1字节的标志字段，其作用就是帧定界。假设下面发送的是PPP帧，比特流中的红色部分是帧定界标志。那么接收方的数据链路层就可以依据帧定界标志从物理层交付的比特流中提取出一个个的帧。
需要说明的是，并不是每一种数据链路层协议的帧都包含有帧定界标志，以太网版本2的MAC帧就没有。这是需要物理层在帧前加前导码，再将比特流转化成电信号进行发送，前导码中的前七个字节为前同步码，作用是使接收方的时钟同步。之后的一字节为帧开始定界符。且以太网还规定了帧间间隔时间为96比特的发送时间，所以MAC帧并不需要帧结束定界符。

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2. 为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能大些。
3. 考虑到差错控制等多种因素，每一种数据链路层协议都规定了帧地数据部分的长度上限，即最大传送单元MTU。

3.2.2 透明传输

透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样。

如果上层交付的数据单元中包含了帧定界符（特定数值），接收方就不能正确接收该帧。
如果数据链路层不采取其他措施，来避免接收方对帧是否结束的误判，就不能称为透明传输。也就是说，数据链路层对上层交付的协议数据单元优限制，其内容不能包含帧定界符。

面向字节的物理链路

解决方法：使用 字节填充（或称字符填充） 的方法来实现透明传输。
在发送帧之前，对帧的数据部分进行扫描，每出现一个帧定界符，就在其前面插入一个转义字符。接收方在接收到转义字符时，剔除转义字符后将其后面的内容作为数据继续提取。

注意： 转义字符是一种特殊的控制字符，其长度为一个字节，十进制值为27。