数据链路层处于OSI模型的第2层，负责在相邻节点之间可靠地传输数据帧（Frame），并进行差错检测、帧定界、流量控制等工作

它处理什么问题

数据链路层的结构

数据链路层通常分为两个子层（尤其在IEEE 802中）

层间关系

• 上接网络层：数据链路层接收来自网络层的分组（Packet），打包成帧
• 下接物理层：把帧转换为比特流，交给物理层传输

帧的组成（通用结构）

尽管不同链路层协议的帧结构会略有不同，但帧通常包含以下几个部分：

+---------+-----------+---------+------------+--------+
| 帧头    | 地址信息   | 控制字段 | 数据载荷    | 帧尾   |
+---------+-----------+---------+------------+--------+

帧的界定

帧的界定，指的是接收方如何识别和划分一个个帧的起始和结束
因为在链路上传输的是一串连续的比特流，接收端必须知道从哪开始读、读到哪结束，这就是帧的界定要解决的问题

为什么需要帧的界定

链路层是点到点或点到多点之间的通信，如果不做帧的划分：

• 接收方不知道哪里是一条完整的信息
• 无法检测丢包、校验错误
• 多帧数据连在一起将造成“比特流混乱”

常见的帧界定方式

字节计数法（Byte Count）

• 在帧的开头写一个字段，表示后面帧的长度
• 例如：[5][Data1][Data2][Data3][Data4][Data5]

优点：结构简单，开销小
缺点：如果长度字段出错，整个帧就错乱，恢复困难

字符充填法（Character Stuffing）

• 使用特殊字符（如FLAG=01111110）作为帧起始和结束的标志
• 如果数据中出现FLAG，就插入一个转义字符（如ESC）进行转义

例如：
发送帧：[FLAG][data1][ESC][FLAG][data2][FLAG]
接收端通过ESC识别数据中的特殊字符不是标志位

优点：可靠，能处理控制字符冲突
缺点：只适用于字符流，效率略低

比特充填法（Bit Stuffing）以太网使用

• 也使用固定的比特标志（如01111110）作为帧的起始和结束
• 若数据中出现连续5个1，就在后面插入一个0（防止误判为结束标志）

例如：
原始数据：01111110（冲突）
比特充填后：01111101
接收端发现连续5个1后自动删掉后面的0，还原原始数据

优点：适用于任意比特流
缺点：需要位级处理，稍复杂

比特填充法的局限就在于：
它假设连续5个1后跟的0一定是充填的，无法判断它是不是数据本身的0
为了避免误判，协议的设计者必须保证：

• 数据编码不要主动制造出连续的0111110序列；
• 比如在HDLC、PPP等协议中，这种情况是通过充填机制主动生成的，不会自然出现
• 如果你是自己设计的通信协议，就要避免出现这样的字节，或者使用额外校验字段辅助识别边界

基于物理层的编码规则（如曼彻斯特编码）

某些链路技术（如以太网物理层）使用编码规律来隐式地帮助同步帧界限，例如通过信号边缘检测等

差错检测

差错检测保证数据传输的正确性和可靠性

差错为什么发生

数据在物理媒介上传输时，可能因为干扰、噪声、电磁波、硬件故障等原因，导致传输的比特发生错误（比如0变成1，1变成0）
这些错误如果不检测出来，接收方就会得到错误数据，造成系统错误

差错检测的目标

• 检测数据中的错误，保证接收到的数据和发送的数据一致
• 尽可能快速且有效，不能增加过多传输负担
• 差错检测 != 差错纠正，检测到错误后一般是丢弃或请求重传

常见差错检测的方法

奇偶校验（Parity Check）

• 最简单的差错检测方法
• 在数据末尾加一个比特，保证整段数据中1的个数是偶数（偶校验）或奇数（奇校验）
• 缺点：只能检测单个比特错误，不能检测多比特错误

循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）

• 最常用且强大的差错检测方法，广泛用于以太网、HDLC、USB等协议
• 原理：
  • 把数据看成一个二进制多项式（系数是0或1），用一个固定生成多项式（简称“生成多项式”）对数据进行模2除法
  • 除法的余数就是CRC校验码，附加到数据末尾一起发送
• 接收方用同样生成多项式除收到的数据，如果余数为0，说明没有检测到错误
• 优势：能检测大多数随机错误和突发错误，检测能力远胜奇偶校验
• 复杂度：算法可以用硬件实现，高速计算

校验和（Checksum）

• 数据各部分数值相加（按字节或字），然后取反码或模某数
• 用于IP、TCP、UDP等协议
• 差错检测能力比CRC差，但计算更简单

哈希函数

• 现代一些网络协议或存储设备中会用加密哈希算法（如MD5、SHA）校验完整性，但计算复杂，不常用于链路层

差错检测流程简述

1.发送端：

• 原始数据经过CRC计算，得到CRC校验码
• 将校验码附加在数据后面一起发送

2.接收端：

• 收到数据 + 校验码
• 对全部数据进行同样的CRC计算
• 若结果为0，数据正确；否则，检测出错误

差错检测的局限性

如果数据和校验码都被篡改了，接收端的校验结果依然“正确”，怎么办

所有差错检测码（包括CRC）都是基于数学算法设计的，它们并不能保证100%发现所有错误

为什么

• 差错检验码本质上是给数据生成一个“指纹”
• 如果数据和校验码同时发生了“巧合性”的变化，导致指纹看起来没变（校验和依然正确），这种情况称为“未检测错误（Undetected Error）”

发生这种情况的概率极低

• CRC的设计目标就是让这种“巧合”概率极小，通常在十亿甚至万亿分之一的量级
• 在现实环境下，突发性的噪声通常不会“精确”改变数据和校验码，使得校验刚好通过

但是仍然可能存在（理论上）

• 这种错误一般只出现在极端恶劣的信道条件，或者数据遭遇恶意攻击（篡改）时
• 对于一般的网络通信，CRC足够强大，误检率非常低，通常可以忽略

解决方案与防范措施

• 更高级的完整性验证

  • 端到端校验（如TCP的校验和）
  • 应用层校验（如文件校验码、数字签名）
  • 加密哈希算法（SHA-256等）保证数据完整性和防篡改

• 可靠传输协议

  • 发现错误后由更高层协议负责重传（如TCP）
  • 如果校验码未检测到错误，可能会传递错误数据，但这在概率上很低

结论

差错检测码不是绝对完美的，但它是网络传输中非常高效且可靠的第一道防线。它把大部分错误都拦截了，高层协议和应用层再负责剩下的

MAC地址

• MAC地址（Media Access Control Address），又称物理地址或硬件地址
• 是分配给网络接口卡（NIC）的唯一标识符
• 长度为48位（6字节），通常以十六进制表示
• 形如：8C:85:90:2F:34:91或8C-85-90-2F-34-91
• 高位 -> 低位

MAC地址的结构

48位分成两个部分：

MAC地址的作用

• 用于局域网内部设备的唯一识别
• 以太网帧头包含源MAC地址和目标MAC地址，帮助设备定位帧的发送者和接收者
• 与IP地址不同，MAC地址是硬编码在硬件里的（虽然可以软件修改，但一般不变）

MAC地址的类型

1.单播地址（Unicast）

• 唯一对应一个设备的地址，最高位（第一个字节的最低位）为0

2.组播地址（Multicast）

• 用于一组设备，最高位为1

3.广播地址（Broadcast）

• 特殊地址，所有位全为1（FF:FF:FF:FF:FF:FF），表示网络上所有设备

MAC地址在通信中的流程

1.当一台设备要发送数据给另一台设备时，它会在帧头写上目标设备的MAC地址

2.以太网交换机会根据MAC地址转发帧

3.接收设备收到帧后，会检查目标MAC地址是否与自己匹配，匹配则处理数据，不匹配则丢弃

补充：ARP协议

• IP地址时网络层地址，需要通过地址解析协议（ARP）将IP映射为对应的MAC地址，才能在链路层发送数据
• ARP是IPv4环境下常见的协议，IPv6使用类似的邻居发现协议（NDP）

冲突检测

这是以太网中一个非常重要的机制，尤其是在传统共享介质环境下保证通信顺畅的关键技术

什么是冲突

在以太网的共享媒介（比如早期集线器环境）中，多个设备可能同时尝试发送数据

• 当两个或多个设备同时发送时，信号会在媒介上叠加，导致数据冲突
• 冲突会导致传输的帧出现错误，所有冲突的数据都无法正确接收

以太网中的冲突检测机制：CSMA/CD

CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection
载波监听多路访问/冲突检测

CSMA/CD工作流程

1.载波监听（Carrier Sense）

• 设备在发送数据前先“听”信道，确认当前信道是否空闲

2.多路访问（Multiple Access）

• 如果信道空闲，设备开始发送数据

3.冲突检测（Collision Detection）

• 设备在发送数据时，同时监听媒介信号
• 如果检测信号异常（冲突信号），说明冲突发生

4.冲突处理

• 发送设备立即停止发送数据
• 发送一个称为“冲突信号”的特殊信号，通知其他设备冲突发生

5.退避算法（Backoff）

• 设备等待一个随机时间（用二进制指数退避算法计算）
• 等待时间到后重新尝试发送

为什么要冲突检测

• 避免冲突导致数据长时间冲突和丢失
• 快速终止冲突传输，减少信道浪费
• 协调多个设备公平访问共享信道

举例

假设设备A和设备B同时监听到信道空闲，都开始发送：

• 他们发送的信号在物理媒介上叠加，导致信号混乱
• 设备A和B检测到信号异常（冲突），立即停止发送
• 两个设备随机等待不同时间后，重新尝试发送

现代网络中的情况

• 交换机网络（Switched Ethernet）几乎没有冲突，因为每个端口都是独占链路，支持全双工通信
• 因此，现代以太网实际应用中，CSMA/CD主要是历史遗留机制

冲突检测主要存在于传统的以太网共享介质环境，但它不是所有网络技术都有的机制

介质控制访问

主要负责协调多个设备如何共享同一物理传输媒介，保证数据有序、有效地传输

什么是介质访问控制

• 介质访问控制是数据链路层的子层，解决多个设备如何共享公共传输介质的问题
• 它的核心任务是决定“谁什么时候能发送数据”，避免数据碰撞，提高网络效率

为什么需要介质访问控制

假设多个设备共用一根网线或无线信道

• 如果同时发送，信号就会碰撞，造成数据错误
• 需要一种机制协调设备访问权，避免冲突或减少冲突影响

常见的介质访问控制方法

竞争式访问（Contention-based Access）

设备竞争使用信道，常见协议有：

• CSMA/CD：以太网使用，监听信道，发现冲突后退避重发
• CSMA/CA：无线网络Wi-Fi使用，通过监听信道和ACK确认避免冲突

非竞争式访问（Contention-free Access）

采用集中管理，设备按顺序或规则访问信道：

• 令牌环（Token Ring） 设备按顺序传递一个“令牌”，拥有令牌的设备才能发送

• 时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access） 把时间分成若干时隙，设备在分配的时隙内发送

• 频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access） 把频带划分成多个频道，每个设备用固定频道发送

• 码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access） 设备用不同码序列共享同一频带

优点：冲突少，适合高负载，实时要求高的场景

数据链路层的典型协议

Ethernet

Ethernet是计算机网络中最重要、最经典的链路层协议之一，是日常生活和工作中局域网通信的基础协议。它实现了数据链路层的大部分功能，尤其是在局域网（LAN）中广泛使用

Ethernet是一种数据链路协议，用于在局域网中传输数据帧，由IEEE定义为IEEE 802.3标准

它解决了：

• 如何打包数据成帧（帧格式）
• 如何给设备分配地址（MAC地址）
• 如何管理共享媒介（CSMA/CD）
• 如何检测和处理错误（CRC）

以太网帧结构（最常见的帧格式）

+------------+------------+--------------+-----------+---------------------+
| 目标 MAC地址 | 源 MAC地址  | 类型字段（Type） | 数据部分    | CRC校验码      |
| (6 Bytes)   | (6 Bytes)   | (2 Bytes)       | (46~1500B) | (4 Bytes)     |
+------------+------------+--------------+-----------+---------------------+

以太网帧最小长度为64字节，数据部分不足时会自动充填，最大为1518字节（不包括VLAN等扩展）

以太网帧界定

以太网使用如下方式实现帧界定：

• 前导码（Preamble）：101010...10101011（共8字节）
• 表示一个帧即将开始，帮助接收端时钟同步
• 后面紧跟着的是以太网帧的正式内容

这不是“标识符”分隔，而是通过信号模式和协议规范来界定帧的开始

PPP

常用在点对点连接上，特别是拨号网络和某些宽带接入场景

什么是PPP协议

• PPP协议是一种链路层协议，主要用于两个节点之间直接通信的点对点链路
• 它定义了链路的封装格式、链路建立、认证、协商以及错误检测等机制
• 适用范围：串口拨号连接（如早期的调制解调器拨号上网）、DSL宽带、VPN隧道等

PPP协议特点

PPP帧格式

+--------+--------+---------+------------+----------+---------+
| 标志位 | 地址   | 控制    | 协议字段    | 信息字段 | FCS校验  |
| 1字节  | 1字节  | 1字节   | 2字节       | 变长     | 2字节    |
+--------+--------+---------+------------+----------+---------+

• 标志位（Flag）：固定为 0x7E，表示帧的开始和结束
• 地址（Address）：通常是广播地址 0xFF
• 控制（Control）：通常为 0x03，表示无编号信息帧
• 协议字段（Protocol）：标识上层封装的协议类型（如IP为0x0021）
• 信息字段（Information）：封装的网络层数据。
• 帧校验序列（FCS）：16位CRC，用于检测传输错误。

PPP协议的工作过程

1.链路建立：通过LCP（链路控制协议）协商链路参数（最大传输单元、认证方式等）

2.认证阶段（可选）：使用PAP或CHAP认证连接双方身份

3.网络层协议协商：通过NCP（网络控制协议）协商所使用的网络层协议参数（如IP地址）

4.数据传输：链路建立和认证完成后，开始传输封装好的网络层数据

5.链路终止：通信结束时拆除链路

PPP优点

• 灵活，支持多种网络协议
• 简单，适合点对点链路
• 支持身份认证，提高安全性
• 支持多种链路管理功能

应用场景

• 早期拨号上网（通过电话线连接ISP）
• DSL宽带连接
• VPN隧道（例如PPTP就是用PPP封装的）
• 串口和同步链路通信

从帧转换成比特

基本概念

• 帧（Frame）：是数据链路层的基本传输单位，包含了“头部 + 数据 + 尾部”
• 比特（Bit）：是物理层的传输单位，0和1

帧 -> 比特流：本质上就是将一整帧的数据按照物理层的编码方式，转成一串二进制信号，在线上发送

转换过程

1.构建帧

例如以太网帧结构如下：

举例：

整个帧可能是：
[前导码][SFD][目的MAC][源MAC][类型][数据][CRC]

这是完整的帧结构，每一项都是字节或多个字节组成

2.字节 → 比特（准备物理层发送）

每个字节 = 8个比特

例如：

字节：0x4F = 01001111

整个帧会被逐字节转成二进制流

3.比特 → 物理信号（在物理层）

比特转信号依赖于编码方式（如曼彻斯特编码、NRZ、NRZI等）和物理媒介（如双绞线、光纤、无线电波）

例子：曼彻斯特编码

• 0 -> 高 -> 低
• 1 -> 低 -> 高

这样可以通过电压变化表示一个个比特。网卡会把这些编码后信号发送到传输媒介上

发生位置

发送端的网卡（NIC）

这是转换帧为比特流、发送信号的核心设备，发生以下过程

接收端的网卡

接收端网卡进行逆向过程

实际例子

在浏览器中访问一个网站

• 数据通过TCP/IP协议层层封装
• 系统调用网卡驱动，构造以太网帧
• 网卡将帧转换成比特流
• 比特流变成电信号，通过网线发送到路由器
• 路由器再转发这些帧，最后达到目标服务器
• 目标服务器的网卡解码比特流，解析帧，交给系统处理