计算机网络之数据链路层

1. 引言

数据链路层是计算机网络的第二层，位于物理层之上，网络层之下。它主要负责物理层提供的原始比特流转换成有意义的数据帧，以便网络层使用。这层不仅包括帧的封装，还涉及帧的正确、可靠传输，包括差错检测、纠正和帧的路由。本文将深入探讨数据链路层的核心组成，包括帧结构、差错检测与纠正、以及MAC地址和帧转发的机制。

2. 帧结构

在数据链路层，数据帧是传输信息的基本单位。一个典型的数据帧结构包括以下几个部分：

• 帧起始和结束标志：标识一个帧的开始和结束，常用特定的比特模式，例如HDLC（High-Level Data Link Control）协议中的01111110。
• 地址字段：指示帧的发送者和接收者。在点对点通信中，这个字段可以是源和目的地址。
• 控制字段：控制数据传输的方式，如确认、流量控制和帧编号等。
• 数据字段：包含上层网络传下来的数据。其长度可以固定也可以变化。
• 差错检测字段：通常使用循环冗余检查（CRC）来实现，确保数据在传输过程中的完整性。

3. 差错检测与纠正

数据链路层提供两种基本服务：差错检测和差错纠正。

• 差错检测：最常用的方法是CRC。在发送端，数据帧的数据部分和地址信息通过一个预定义的多项式进行计算，得到一个CRC值，这个值被添加到帧尾部。在接收端，接收到的帧（包括CRC）通过同样的多项式计算。如果计算结果为零，则认为没有错误发生；否则，说明数据在传输过程中被篡改过。
• 差错纠正：一种常见的方法是自动重传请求（ARQ）。当接收端检测到错误时，它会向发送端发送一个重传请求，要求发送端重发之前的帧。常见的ARQ协议包括停止等待ARQ、后退N帧ARQ和选择重传ARQ。

4. MAC地址与帧转发

• MAC地址：介质访问控制（MAC）地址是网络设备在局域网环境中的唯一标识。每个网络接口卡（NIC）都有一个全球唯一的MAC地址。在以太网中，MAC地址用于识别源节点和目的节点。
• 帧转发：在交换机或网桥接收到一个帧后，它会根据帧中的目的MAC地址决定是否以及如何转发这个帧。交换机维护一个MAC地址表，用于记录每个MAC地址对应的端口号。当帧到达时，交换机检查目的MAC地址：- 如果地址在表中，帧被转发到对应的端口。- 如果地址不在表中，帧被广播到除源端口外的所有端口。- 如果是广播或多播地址，帧被转发到所有端口。

这种机制确保了数据在局域网内的正确路由，并提高了网络的效率和安全性。

5. 总结

数据链路层是网络通信模型中至关重要的一环，它不仅确保数据以帧的形式高效传输，还通过差错检测和纠正机制保证数据的可靠性。MAC地址和帧转发机制则确保了局域网中数据传输的准确性和效率。理解这一层的工作原理对于网络系统的设计和维护是非常重要的，无论是对于网络工程师还是对于网络系统的最终用户。