使用点对点信道的数据链路层

前言

在计算机网络通信中，数据链路层起着关键作用。它为直接相连的网络设备之间提供可靠的数据传输服务。本文将系统介绍数据链路层的通信方式、帧封装机制以及如何使用循环冗余检验 (CRC) 实现差错检测，确保无比特差错的传输。

1 通信信道类型

①点对点信道

点对点信道采用一对一的通信方式，在两个设备之间直接传输数据，常用于串行线路或某些专用网络中。

②广播信道

广播信道采用一对多的通信方式，将数据包发送给所有接入信道的设备。在广播信道上，主机需通过共享信道协议进行协调，以避免数据冲突和干扰。

2 数据链路

①链路 (Link)

链路是无源的点到点物理线路段，中间没有任何交换节点，也称为物理链路。

②数据链路 (Data Link)

当链路中添加控制数据传输的协议的硬件和软件后，就构成了数据链路，也称为逻辑链路。

3 帧

①封装成帧 (Framing)

在传输过程中，需要对数据进行封装，在一段数据的前后加上首部和尾部，构成一个帧。首部和尾部的主要作用是进行帧定界，即确定每一帧的开始和结束。

②最大传送单元 (MTU)

MTU 规定了每帧的数据部分的长度上限，避免数据包过大导致传输失败。

③控制字符作为帧定界符

• SOH (Start Of Header)：放在帧的首部，表示帧的开始。
• EOT (End Of Transmission)：放在帧的尾部，表示帧的结束。

4 透明传输

①定义

透明传输指的是在数据链路层中，无论发送的数据包含何种比特组合，都能确保数据按照原样、不受干扰地传输到接收端。

“透明”意味着即使数据中存在与控制字符（如 SOH、EOT 等）相同的比特模式，这些数据也不会被链路层误解为帧的起始或结束，从而避免数据边界的错误解析。

在数据链路层透明传送数据：无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

【情景引入】

如果数据内容中包含的某些字节的二进制代码与控制字符 (如 SOH、EOT) 相同，数据链路层可能会误判帧边界，导致传输错误。

【解决方案】

用“字节填充”或“字符填充”法解决透明传输的问题。

在检测到与控制字符冲突的字节时，通过添加特殊字符来避免错误解析。这种填充技术确保无论数据的比特组合如何，都能无误传输，实现透明传输。

5 差错检测

①误码率 (BER)

在数据传输过程中，比特可能出现错误（如 1 被误判为 0，或 0 被误判为 1）。

误码率 (BER) 是一段时间内错误比特占比特总数的比率，用于衡量传输质量。

②循环冗余检验 (CRC)

a. CRC 原理与计算

1. 划分数据组：将数据划分为长度为 (k) 比特的组。
2. 添加冗余码：CRC 运算会在每组数据后面添加 (n) 位冗余码，构成帧并发送。

1. 计算步骤：
   • 对数据 (M) 进行模 2 运算，将其扩展为 (k + n) 位。
   • 用事先选定的多项式 (P)（长度为 (n + 1) 位）对扩展后的数据进行除法，得到商 (Q) 和余数 (R)。
   • 将余数 (R)（长度为 (n) 位）作为冗余码附加到原数据 (M) 后，一起发送。

③帧检验序列 (FCS)

FCS 是在帧的末尾添加的冗余码，用于检测传输中的比特差错。

【注意】

循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同：

• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

④常用的 CRC 生成多项式

CRC 检验的效果取决于选用的生成多项式。以下是常见的生成多项式：

• CRC-16：(X^{16} + X^{15} + X^2 + 1)
• CRC-CCITT：(X^{16} + X^{12} + X^5 + 1)
• CRC-32：(X^{32} + X^{26} + X^{23} + X^{22} + X^{16} + X^{12} + X^{11} + X^{10} + X^8 + X^7 + X^5 + X^4 + X^2 + X + 1)

【注意】

“无比特差错”与“无传输差错”区别：

• 可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么。
• 传输差错可分为两大类：
  • 比特差错；
  • 传输差错：帧丢失、帧重复或帧失序等。
• 在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
• 要实现可靠传输，还必须再加上帧编号、确认和重传等机制。