数据链路层的功能是将网络层传下来的数据报组装为帧，并负责将帧从一个链路节点传递给另一个链路节点（即路由器）。

 

- 三个基本问题

数据链路层要解决3个基本问题：

封装成帧、透明传输和差错检测。

 

封装成帧

封装成帧指对网络层数据报的前后添加首部和尾部构成一个帧（部分类型的帧只有帧首没有帧尾，如MAC帧），首部尾部作用是进行帧定界，有了首部和尾部网卡才能从一长串01电信号中确认帧的界限。

帧首部和帧尾部本质是2个控制字符，控制字符SOH（start of header）放在一帧的最前面表示帧的首部开始（第一个字符），控制字符EOT（end of transmission）表示帧的结束（最后一个字符）。

不同类型的帧，其SOH和EOT是不同的，例如PPP协议帧，其帧首部的第一个字符是0x7E（0111 1110），而尾部字符也是0x7E。MAC帧的首部第一个字符是 1010 1011

 

 

 

透明传输

透明是指一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。透明传输在这里是指如果帧的数据部分有SOH或者EOT字符的二进制（数据部分尤其是图片视频等，是什么二进制串都可能出现的），接收方也不会把数据部分的SOH和EOT错认为是帧的边界，导致数据丢失。

 

为了解决这个问题，实现透明传输，我们可以使用字节填充解决：

字节填充是指发送端的数据链路层在数据中发现SOH或EOT时，在它前面插入一个转义字符ESC，如果转义字符ESC也出现在数据中，就在ESC前面再插入一个ESC。

字节填充只是用来实现透明传输的其中一种方法，其实不同的协议会有不同的解决方法，例如PPP协议，它的首尾控制字符都是 0x7E（01111110）。一方面PPP协议在异步传输（逐个字符的传送）会使用字节填充的方法，在同步传送（一连串的比特连续传送）时，PPP协议会使用零比特填充，具体做法是对于帧数据部分，只要发现有5个连续的1就在5个1后面填入0，这么一来就可以保证数据部分不存在 01111110 这个控制字符，在接收端则反操作即可还原原来的比特。

 

- 差错检验

在传输过程中可能会出现比特差错（噪音干扰、电压不稳定等原因），即1可能变成0，0可能变成1。

传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率 BER。误码率和信噪比有很大的关系。

差错检测的算法常使用CRC循环冗余检验，其原理如下：

在发送端，假定待传输的数据是k个比特。

假设待传输的一组数据 M = 101001 （k = 6），我们要在M的后面再添加供差错检验用的n位冗余码（FCS）一起发送。

n位的冗余码FCS的计算如下：

进行 2^n 乘 M的运算，这相当于在M后面加n个0，得到一个 k+n 为的数X，后面的这n位就是待会儿要被FCS冗余码填充的n位。

用X除以（使用模2除法）一个事先定好的长为 n+1 位的除数 P，得到商和余数分别是 Q 和 R， R长为n位。R就是冗余码FCS。

那么原始数据加冗余码就是 M + R，M + R会放在帧首和帧尾之间一起传输。

接收端会以帧为单位进行CRC检验：具体做法是把收到的帧的 M + R 部分使用模2除法除以相同的P，检验得到的余数R2是否为0（我们知道 M除以P的余数是R，那么 (M+R)除以P的余数肯定就是0）。如果R2大于0，说明出现了比特差错（R2为0的话，不一定就没有比特差错，不过这个概率会非常小，只要P够大，这个概率就会小到可以忽略不计）。

如果检测到出现比特差错，接收方就会丢弃这个帧。

 

使用CRC循环冗余检测的开销是每个帧都要多传输n位比特，n多大取决于P多大。

在数据链路层，发送端生成FCS和接收端进行CRC检验都是通过硬件完成的，因此处理很快，不会延误数据的传输。

另外，链路层只保证无比特差错（帧内比特从0变成1或者从1变成0），但不保证无传输差错，对于帧丢失、帧重复和帧失序的传输差错情况会交给传输层来解决。链路层并不提供可靠传输（准确的说，是TCP/IP体系的链路层不提供可靠传输，而OSI体系（7层模型）的链路层提供可靠传输）。