【计算机网络】考研408必备：数据链路层核心功能一文详解

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！!

在前面的内容中，我们共同完成了网络体系结构基础——物理层的学习。

从今天开始，我们的探索之旅将更进一步，正式踏入数据链路层的世界。

数据链路层如同一位可靠的交通指挥员，它在物理层提供的比特流传输服务之上，建立起一条条有秩序、可控制的数据通道，确保信息能够高效、准确地在相邻节点间传输。理解这一层，是掌握网络通信核心原理的关键一步。

现在，就让我们开始这段新的学习旅程，一起揭开数据链路层工作原理的神秘面纱。

一、基本概念

1.1 所处地位

在教学五层模型中，数据链路层位于物理层的上一层：

flowchart TB
a[应用层]
b[传输层]
c[网络层]
d[数据链路层]
e[物理层]
a--->b--->c--->d--->e
e--->d--->c--->b--->a

1.2 主要任务

数据链路层的主要任务是让 帧 在一段链路上或一个网络中传输。数据链路层协议有多种，但有三个基本问题则是共同的，即 封装成帧、透明传输 和 差错控制。

1.3 使用信道

数据链路层使用的信道主要有两种：

• 点对点信道：使用一对一的通信方式。
  • PPP 则是目前使用最广泛的点对点协议
• 广播信道：这种信道上连接的主机很多，使用一对多的广播通信方式。
  • 采用共享广播信道的有线局域网普遍使用 CSMA/CD 协议，而无线局域网则使用 CSMA/CA 协议

在 点对点信道 中，我们需要先了解以下概念：

• 链路：指从一个节点到 相邻节点 的一段物理线路。
  • 当进行数据通信时，两台计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路。可见链路只是一条路径的组成部分。
• 数据链路：当在一条链路上传送数据时，除了需要链路本身，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
  • 有时也把上面所说的 链路 称为 物理链路，而把 数据链路 称为 逻辑链路
• 帧：数据链路层对等实体之间进行逻辑通信的协议数据单元。
  • 数据链路层把网络层下交的数据构成帧发送到链路上，并把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。

1.4 链路管理

链路管理 指的是 数据链路层连接的建立、维持和释放过程。其 主要用于面向连接的服务。

链路两端的节点要进行通信，首先必须确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中要能维持连接，而在传输完毕后要释放该连接。

二、功能

数据链路层的功能主要有5个：

• 封装成帧
• 差错控制
• 可靠传输
• 流量控制
• 介质访问控制

接下来我们将简单的介绍一下各个功能；

2.1 封装成帧

封装成帧 是指在一段数据的前后分别添加首部和尾部构成帧，帧是数据链路层的传送单元。

flowchart LR
	subgraph 帧
		direction LR
		a[首部]--->b[数据]--->c[尾部]
	end

帧长 等于 帧 的数据部分长度加上首部和尾部的长度。

flowchart LR
	subgraph 帧长
		direction LR
		a[首部长度]---|+|b[数据长度]---|+|c[尾部长度]
	end

首部和尾部中含有许多控制信息，它们的一个重要作用时确定帧的界限，即 帧定界。

为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。

但随着帧长的增加，传输差错发生的概率也随之提高，发生差错时重传的代价也越大，因此每种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即 最大传送单元 。

透明 是一个重要的计算机术语，它表示某个实际存在的事物看起来不存在一样。

若在数据中恰好出现于帧定界符相同的比特组合，这时若不进行干涉，则会被误认为传输结束而丢弃后面的数据，因此需要采取有效措施来解决这个问题，即 透明传输。

透明传输 是指不论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样无差错地在这个数据链路上传输。

这里的 透明 指的是在传输的过程中，看不见数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。也就是说，数据链路层对这些数据来说是 透明 的。

2.2 差错控制

数据在传输的过程中，因为信道中的噪声等原因，帧在传输过程中可能会出现错误，这些错误分为 位错 和 帧错：

• 位错 ：帧中某些位出现差错，通常采用 循环冗余检验（CRC）来发现 位错
• 帧错：帧丢失、帧重复或帧失序等错误，它们都属于传输差错

差错控制 指的是发现并解决一个帧内部出现的 位错。

通常有两种解决方式：

• 接收方通过 检错编码 发现 位错 后，直接将错误的帧丢弃，发送方重传帧
• 接收方通过 纠错编码 将发现的 位错 进行纠正

2.3 流量控制

流量控制 指的是控制发送方发送帧的速率，让接收方能够及时完成接收。

2.4 可靠传输

可靠传输 指的是接收方能够发现并解决 帧错。

帧错 包括三种：

• 帧丢失：数据在传输的过程中，丢失了一部分帧，需要让发送方重新发生丢失的帧
• 帧重复：数据在传输的过程中，因为各种原因，导致接收方接收的数据中存在一部分相同的帧，这时需要舍弃重复的帧
• 帧失序：数据在传输的过程中，接收方在接受帧时，其顺序发生了变化，这时需要恢复帧的正确顺序

2.5 介质访问控制

在 广播信道 中，由于该信道上连接的主机有很多，其在逻辑上时总线型拓扑，多个结点需要争抢传输介质的使用权，为了更好的管理介质的使用权分配，就需要通过相关协议来决定介质的使用权的先后顺序。

在 点对点信道 中，由于两个结点之间有专属的传输介质，不需要像 广播信道 一样争抢信道，因此点对点信道中就不需要实现此功能。

结语

至此，我们对数据链路层的探索就暂告一段落了。

通过今天的学习，我们揭开了这位网络通信“幕后指挥员”的神秘面纱。我们了解到，数据链路层的核心使命，正是在物理层提供的原始比特流传输能力之上，构建起一条条可靠、有序的数据通道。

从最基本的封装成帧、透明传输，到确保数据完整性的差错控制与可靠传输，再到协调收发节奏的流量控制，以及管理共享信道的介质访问控制，这五大功能环环相扣，共同确保了数据能够高效、准确地在相邻节点间传输。

理解数据链路层的工作原理，是构建扎实网络知识体系的基石。它让我们明白，看似简单的“数据包发送”背后，实则有一套精密的机制在保驾护航。