小白学TCP/IP(三)数据链路层篇

本文主要是介绍小白学TCP/IP(三)数据链路层篇，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

数据链路层

数据链路层位于物理层与网络层之间,其设计的初衷就是顺利为同一数据链路内的主机提供数据服务,不考虑可靠性,可靠性的部分由传输层的TCP协议实现.

数据链路层在网络传递中的地位

假设在通信的过程中需要通过路由器的话，那么数据的具体流动过程就像下面图中箭头的示意：

其中路由器负责路由转发,需要知道目标主机IP地址，因此需要最高到网络层进行IP协议的分析；

我们也可以在逻辑上将整个通信过程看成是两端数据链路层之间点对点的通信：

数据链路基本问题

数据链路层的协议有很多种，但有三个基本的问题是共同的，那就是：封装成帧、透明传输和差错控制。

1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束

2. 透明传输

透明传输 : 提供任何数据输入,数据链路层都可以成功传输,即数据链路层的功能对于网络层和上层都是透明的.

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。
这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
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3. 差错控制

现实的通信链路都不会是理想的，这就是说，传输过程中有可能1变成0,0变成1，这种情况就叫做比特差错。

数据链路层提供了循环冗余检验CRC方法来检测比特差错，其主要使用了帧尾的帧检验序列FCS来检测比特错误。发送数据前先计算帧的数据部分得出FCS添加在数据部分后面，接收端收到数据帧后取出FCS进行计算验证。

MAC地址

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

PPP协议

PPP(Point-to-Point Protocol)是值点对点,即1对1连接计算机,属于纯粹的数据链路协议,仅有PPP是无法实现通信的,还需要物理层的支持.
而像以太网和FDDI不仅与数据链路层有关,还与物理层有关.
PPP 的帧格式：

PPP的帧格式:

F 字段为帧的定界符
A 和 C 字段暂时没有意义
FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
信息部分的长度不超过 1500

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以太网

以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备，作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式

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目标MAC地址: 目标工作站的物理地址
源MAC地址: 构成以太网帧的发送端工作站的物理地址
类型: 上层协议类型
FCS(Frame Check Sequence): 帧检验序列,检查帧是否被损坏
前同步码: 只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。

交换机

以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机.
以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。

交换机自学习能力
交换机学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到交换机端口的映射。

正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧。主机 B 向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 3 的映射。
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