【零基础计网入门笔记 03】数据链路层

整体定位：数据链路层只解决相邻设备、局部局域网 / 点对点网线的通信，不跨路由器，分为两大通信场景：一对一点对点、一对多广播局域网；全章节围绕封装成帧、透明传输、差错检测三个底层通用问题展开。

本章重点速览：

• 数据链路层的几个共同问题 ※
• 点对点协议 PPP ※
• 使用广播信道的数据链路层 ※

一、前置基础概念：信道、链路、数据链路

1.1 两种信道类型

1. 点对点信道（1 对 1）

线路只连接两台设备（电脑连光猫、串口拨号），不存在多台设备抢线，一对一通信。

2. 广播信道（1 对多）

一根总线 / 集线器连接多台主机，一台发数据，所有设备都能收到；多台同时发包会产生信号冲突乱码，局域网早期组网用这种。

1.2 链路 vs 数据链路

1. 链路：指的从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有结点。

• 单纯的物理网线 / 光纤，只有硬件线路，没有任何传输协议。
• 例：A → B → C，A 直接连 B 才叫链路；A 经过 B 中转到 C，A-C 不能叫链路。

2. 数据链路：链路 + 数据链路层协议，能完成组帧、纠错、透明传输，真正实现可靠传递数据。

二、数据链路层的三个基本问题

封装成帧、透明传输、差错检测

2.1 封装成帧

给 IP 数据包套上“信封”。

1. 操作：网络层下发裸 IP 数据，链路层给它加帧首部 + 帧尾部，整体叫「帧」。
   

2. 核心作用：帧定界。首尾有固定二进制标记，接收端靠标记区分：一帧从哪开始、到哪结束。
   

3. 限制 MTU：以太网规定帧内部的数据部分最大 1500 字节，数据包超过这个长度，网络层需要提前拆分。

4. 原生缺陷：如果 IP 数据内部恰好出现和帧头 / 帧尾一模一样的二进制标记，接收端会误判 “帧提前结束”，截断数据，由此引出第二个问题：透明传输。
   

2.2 透明传输

任意二进制数据都能完整送达。

1. 含义：上层不用关心底层的分界标记，无论数据是 0/1 乱码、特殊控制字符，都能原样无修改送到接收端，底层自动处理冲突标记。

2. 解决方案：填充（字符 / 字节填充）

   • 遇到和帧分界符重复的数据时，在它前面插入转义字符做标记；接收端识别转义字符后，删除转义符还原原始数据，避免误判帧边界。
     

2.3 差错检验

CRC 循环冗余校验（排查传输比特错误）。

含义：网线受电磁干扰会出现比特翻转（0 变 1、1 变 0），CRC 用来检测这种传输错误。

注意：CRC只能检测错误，不能修复错误，出错只能丢弃，依靠上层重传。

1. CRC 运算规则

模2运算（异或运算：相同为0，相异为1）。

被除数：
待发送的数据+几个0（+几个0取决于除数，除数 -1位，5→4，4→3）

除数：

1. 由生成多项式 G (X) 得到二进制除数
   • 示例：$G(X)=X^4+X2+X+1$
   • 按幂次补系数：$1X^4+0*X3+1X^2+1*X1+1*X^0$，除数 = 10111（5 位）
2. 除数有 n 位，原始数据（被除数）末尾补 n-1 个 0（本例 5 位除数，补 4 个 0）

接下来：

1. 原始数据 + 补零整体 和 除数 做模 2 除法，得到余数（校验码 FCS）。若有余数，则说明数据是错误的。
2. 把末尾补的 0 替换成余数，组成完整帧发送
3. 接收端校验：整串帧除以除数
   • 余数 = 0：无传输错误；
   • 余数≠0：数据损坏，直接丢弃该帧。

例题：

三、点对点协议 PPP

适用场景：老式电话拨号上网、光猫串行点对点链路，专门管理一对一通信。

3.1 PPP 三大组成

• 帧封装规则：把 IP 数据包封装进 PPP 帧，适配串行物理线路；
• LCP 链路控制协议：负责建立、配置、断开物理线路，协商线路基础参数；
• NCP 网络控制协议：协商上层网络参数（给设备分配 IP 地址等）。

3.2 PPP协议的帧格式

• 首部是用 16 进制表示的，可能和信息部分重合，造成误判。为了避免这种情况，要进行填充。

3.3 PPP 帧的透明传输的两种填充方式

PPP 帧的首尾标记是十六进制7E，如果数据里出现7E、转义符7D会误判帧结束，分两种传输模式处理：

1. 异步传输（字符流，老式拨号）：字节填充

到特殊字符前插入转义字符7D，同时修改原字符：

• 分界符7E：加7D，原数值减 0x20 → 5E
• 转义符7D：加7D，原数值减 0x20 → 5D
• ASCII 小于 0x20 的控制字符：加7D，原数值加 0x20

接收端读到7D，就对后一个字符反向加减 20，删掉转义符恢复原始数据。

2. 同步传输（高速光纤比特流）：零比特填充

不靠字符区分边界，靠比特序列01111110做帧标记。

• 发送端：扫描全部比特，只要出现连续 5 个 1，强制插入 1 个 0；保证数据不会出现 6 个连续 1，不会和帧标记冲突。
• 接收端：识别连续 5 个 1，直接删除紧跟的 0，还原原始比特。

四、广播信道：局域网以太网（多主机共享线路）

4.1 冲突问题与 CSMA/CD 协议

广播信道的局域网：用同轴电缆或集线器组网，A - B - C - D 多台主机共享。

• 这种情况下，如果我同时要传输信息 A → C 和 B → D，则会导致 B → C 这一段信息冲突碰撞，产生乱码。为了避免这种情况，我们提出 CSMA/CD协议。

1. CSMA/CD协议

集线器组网属于共享总线，多台主机同时发包会信号碰撞乱码，CSMA/CD 用来管控发包行为，五步逻辑：

1. 发送前侦听：先检测线路是否空闲，有数据传输就等待；
2. 边发边听：发包同时持续监听线路信号；
3. 检测冲突立刻停发：波形紊乱 = 冲突，马上停止发送；
4. 发送阻塞信号：发送一串干扰码，通知全网所有主机发生冲突；
5. 截断二进制退避算法：等待一段随机时间后，重新尝试发送。

4.2 以太网技术

以太网 = 全世界最通用的局域网二层通信标准（数据链路层技术）。

• 简单理解：你电脑插网线、路由器 LAN 口、公司内网、交换机、WiFi 底层局域网部分，全都是以太网。
• 核心任务：规定设备之间怎么封装「帧」、怎么识别内网设备、网线里怎么传输数据

以太网的两个主要标准：

1. DIX Ethernet V2：最早商用标准，目前互联网主流；

2. IEEE 802.3：官方标准化标准，拆分数据链路层两层：

   • LLC 逻辑链路层：对接网络层，现已淘汰；
   • MAC 媒体访问控制层：帧封装、冲突管控、硬件寻址，现在局域网只保留 MAC 层。

4.3 MAC 地址（硬件地址 / 物理地址）

根据以太网两个标准的不同，可以把数据链路层分为两层（LLC，MAC），目前主要使用 MAC（媒体介入控制组层）。

MAC 地址就是硬件地址，也就是物理地址，是由 48 位组成的。

• 规格：固定 48 位（6 字节，12 位十六进制，如00:AA:BB:CC:DD:EE）；
• 存储：网卡出厂时厂商烧录在网卡硬件 ROM 中，全球唯一；换网卡才会真正改变，软件只能临时伪装；
• 生效范围：仅当前局域网；

作用：同一内网里精准定位一台设备。广播局域网中定位目标设备，帧头部携带源 MAC、目的 MAC，用来区分接收主机。