計算機網路：數據鏈路層

來自專欄 Java之鏈

互聯網是指很多異構的網路由路由器聯繫起來的一個大網路。在研究這個大網路之前，我們要庖丁解牛，先研究其局部和單元。最小的網路單元就是區域網，區域網是一個單位所擁有，且地理範圍和站點數量都很有限。

區域網內的計算機通信不需要路由器，所以不會用到網路層的協議，而是依賴數據鏈路層。

上圖說明了數據鏈路層在整個互聯網體系中的位置。數據鏈路層的信道分為兩種：

• 點對點信道：一對一通信
• 廣播信道：一對多的廣播通信（使用共享信道協議）

數據鏈路層的協議數據單元是幀。數據鏈路層把網路層交下來的數據構成幀，發到鏈路上，以及把接收到的幀中的數據取出來，交給網路層。

在點到點信道的數據鏈路層協議上，可以採用簡化的三層模型。無論是主機和主機，主機和路由器，或者兩個路由器之間，我們都可以看成結點和結點之間的通信。

數據鏈路層不必考慮物理層是如何實現比特傳輸的細節，我們甚至可以簡單攝像，節點A沿著數據鏈路層的水平方向把幀輸出給結點B。

數據鏈路層的協議有多個，但有三個共性問題。

• 封裝成幀

從上圖可以得出以下結論：

1. 幀 = 幀首部 + 數據部分 + 幀尾部。
2. 首部和尾部是控制信息，由數據鏈路層封裝而成。
3. 數據部分存在上限——最大傳輸單元MTU。可以推斷，通信中傳輸數據必須考慮大小。

幀的首部標誌著幀的開始，尾部標誌著幀的結束。通過這些控制信息，我們能保證收到一個完整的幀。比如ASCII中的不可列印字元當作首部和尾部。

• 透明傳輸

利用轉義字元（ESC，十六進位編碼0x1B）來解決幀的數據部分包含控制字元的問題，

• 差錯檢驗

信道往往不是理想的，所以通信會帶來誤差。常用誤碼率來衡量傳輸誤差。誤碼率BER（bit error rate）等於錯誤的比特佔全部比特的百分比。

那麼我們怎麼知道所接受到的幀有沒有錯誤比特呢？這就需要校驗機制，目前數據鏈路層廣泛採用循環冗餘校驗CRC（(Cyclic Redundancy Check）。其原理是在幀的數據部分後面加上冗餘碼（FCS），接受方利用冗餘碼校驗數據部分。具體細節請參考《計算機網路》。

綜上，封裝成幀和透明傳輸保證收到完整的幀，差錯檢驗保證收到正確的幀。這三種機制能保證幀的無差錯傳輸，但不能保證可靠傳輸（發送什麼就接收到什麼）。造成不可靠傳輸的原因有兩類：

1. 幀中的比特錯誤
2. 幀重複，幀丟失，幀失序

數據鏈路層的幀的三種機制只能消除第一種錯誤，至於第二種則需要確認和重傳機制。在早期互聯網中，數據鏈路層曾經保證可靠傳輸，但隨著光纖技術的發展，誤碼率大大下降，數據鏈路層就採用了簡單的不可靠傳輸協議，把可靠運輸的實現放在了運輸層中。實踐證明，這樣可以提高通信效率。

最後，我們可以看到，計算機網路本質是通信問題，裡面包含了很多通信元素：完整，誤差，校驗，重複，丟失，失序，可靠傳輸等。

鳴謝：《計算機網路》