计算机网络（8）数据链路层之子层

上一篇已经讲到数据链路层可以分为两个子层，这次将重点讲解子层的作用和ppp协议

数据链路层的子层

数据链路层通常被分为两个子层：

逻辑链路控制子层（LLC，Logical Link Control）：
- LLC子层负责在数据链路层与网络层之间建立逻辑连接。它处理与网络层的交互，提供帧的封装和差错控制。LLC子层使得数据链路层能够支持多种网络协议。
介质访问控制子层（MAC，Medium Access Control）：
- MAC子层负责控制对物理介质的访问。它通过协议来决定如何在共享的通信媒介上调度数据的发送。MAC子层使用硬件地址（MAC地址）来进行数据帧的目标定位，并解决冲突。
- 典型的MAC协议有：CSMA/CD（以太网）、CSMA/CA（Wi-Fi）等。

我们将主要讲解MAC子层

MAC子层（Media Access Control Sublayer）

MAC子层（介质访问控制子层）是数据链路层的一个重要组成部分，主要负责控制不同设备对共享通信介质（如以太网或无线电波）的访问。MAC子层位于数据链路层的较低部分，在逻辑链路控制（LLC）子层之下，具体负责帧的封装和传输。

MAC子层的主要功能

介质访问控制：
- MAC子层决定何时允许设备发送数据，以避免在共享介质上发生数据冲突。常见的访问控制机制包括CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测，用于有线网络）和CSMA/CA（载波侦听多路访问/碰撞避免，用于无线网络）。
帧封装与解封装：
- MAC子层将来自LLC子层的数据进行帧封装（添加MAC地址、帧控制信息和校验码），并在接收到数据帧时解封装以传递给上层。
地址控制：
- MAC子层使用硬件地址（MAC地址）识别网络设备。每个设备的MAC地址是唯一的，MAC子层使用这些地址确保数据帧能够到达正确的目标设备。
错误检测：
- 在数据传输过程中，MAC子层通过帧尾的校验和（如CRC）来检测数据是否被损坏。虽然MAC子层不负责纠正错误，但它可以识别并丢弃损坏的帧，确保只有正确的数据传输给上层。
流量控制：
- MAC子层通过流量控制协议避免发送方过多发送数据，以防止接收方超出处理能力。通过流量控制，MAC子层可以有效地避免网络拥塞，确保数据流稳定。

MAC子层的典型协议

以太网（Ethernet）：
- 使用CSMA/CD协议实现介质访问控制，适用于有线局域网。
无线局域网（WLAN）：
- 使用CSMA/CA协议，通过“请求发送”（RTS）和“清除发送”（CTS）机制避免无线信道冲突，适用于Wi-Fi网络（如IEEE 802.11）。
令牌环网（Token Ring）：
- 使用令牌传递机制，每个设备只能在拿到令牌时发送数据，适用于一些工业和大型企业网。

MAC子层的典型数据帧结构

在不同协议中，MAC帧结构可能有所不同，但通常包括以下几个部分：

帧头（Header）：包含目标和源MAC地址、帧类型、帧控制信息等。
数据字段（Data Field）：包含要传输的数据，即来自上层的报文。
帧尾（Trailer）：通常包含校验和（如CRC），用于错误检测。

帧定界（Framing）

帧定界是一种在数据链路层中对数据进行划分的方法。它将从网络层接收到的报文分割成可在物理链路上传输的“帧”。帧定界不仅将数据分隔成可以管理的单元，还通过附加的信息（如头部和尾部）使接收端能识别每个帧的开始和结束。

帧定界的作用

帧定界的主要作用包括：

数据分隔：将连续的数据流分隔为一个个独立的帧。
错误检测：每个帧可以包含错误检测机制（如CRC校验），以便在数据传输中发现并处理错误。
同步通信：在传输过程中，帧定界帮助接收方知道每个帧的开始和结束，从而确保数据准确地分隔开来。
流量控制：通过帧定界，接收方可以对帧进行接收确认或请求重传，避免数据丢失或网络拥塞。

常见的帧定界方法

帧定界在数据链路层中常用两种方法：位导向方法和字节导向方法。这两种方法各有特点，适用于不同的协议和传输需求。以下是它们的详细介绍：

1. 位导向方法（Bit-oriented Method）

位导向方法通过特定的位序列来标记帧的开始和结束，适用于不局限于字节边界的数据流。常用的位导向方法有比特填充。

帧结构示例

在HDLC协议中，位导向方法的帧通常包含以下几个部分：

比特填充：
- 在帧的开头和结尾使用一个特定的位序列标记帧边界。例如，HDLC（高级数据链路控制协议）使用 01111110 位序列作为帧的开始和结束标记。
- 为了避免数据中的 01111110 被误识别为帧边界，当帧数据中出现五个连续的 1 时，自动填充一个 0 位，以确保不会出现六个连续的 1。
- 接收方在检测到五个 1 后会自动删除这个填充的 0，从而还原原始数据。
标志位（Flag）：每个帧以01111110开始和结束，指示帧的边界。
地址字段（Address）：用于标识目标节点的地址。
控制字段（Control）：包含用于控制流量的指令和帧类型信息。
信息字段（Information）：即帧的实际数据，长度可以是可变的。
校验字段（FCS - Frame Check Sequence）：用于检测帧中的错误，常采用CRC（循环冗余校验）技术。
结束标志位（Flag）：与开始标志位相同，为01111110。
也可以这样分：
起始和结束序列，头部序列（header）包含地址字段和控制字段。主体（body),以及CRC.
优点：位导向方法更加灵活，不局限于字节边界，可以支持不同类型的数据。
应用：适用于 HDLC 和 PPP（点对点协议）等。

2. 字节导向方法（Character-oriented Method）

字节导向方法通过特定的字节序列来标记帧的开始和结束边界，适用于以字符为单位的数据传输。常见的字节导向方法有字符填充。

字符填充：
- 通过特殊字符（如STX表示帧开始，ETX表示帧结束）来标记帧的边界。
- 如果数据中出现了这些特殊字符，则添加转义字符（如DLE），以避免误识别。
- 例如，若帧中的内容含有STX或ETX，则在前面加一个DLE，接收方在遇到DLE时会跳过这个字符的特殊含义，从而正确解码数据。
优点：字节导向方法实现简单，适用于以字节为单位的协议。
应用：适用于传统的面向字符的数据链路层协议，如BSC（位同步通信）协议。

字节导向协议（Byte-Oriented Protocol）是一类基于字节的通信协议，通常用于字符数据的传输和通信。它们采用字节（或字符）为单位进行数据划分，并通过特定的控制字符或字节模式来标识消息边界和帧结构。

字节导向协议的主要特点

基于字符：每一个数据单元（或帧）由多个字节组成，通过控制字符来定义边界。
帧定界：通过在数据流中插入特殊控制字符来标识帧的开始和结束。
字符填充：当数据中包含与控制字符相同的字节时，协议会在数据中插入额外的转义字符，以区分真实的控制字符和数据内容。

常见的字节导向协议

BISYNC（Binary Synchronous Communication）协议
- IBM开发的早期通信协议，用于在同步环境中进行字符通信。
- 使用控制字符SYN（同步字符）、SOH（起始字符）、ETX（结束字符）来标识帧边界。
- 数据中出现控制字符时使用转义字符DLE（Data Link Escape）来避免冲突。
  SYN SYN SOH Header STX Body ETX CRC
PPP（Point-to-Point Protocol）这个很重要
- 主要用于互联网接入和广域网连接中的链路层协议。
- PPP将数据分为一系列帧，使用标志字段01111110（0x7E）来标识帧的开始和结束。
- 如果数据中出现0x7E，则使用字节填充（插入一个转义字符）避免干扰。

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）是一种链路层协议，通常用于在点对点的链路上建立直接连接，如通过电话线、光纤等实现的广域网（WAN）连接。PPP广泛应用于互联网接入，例如拨号网络、DSL、以及一些移动网络连接。其帧格式设计为简洁可靠，以便支持数据封装和错误检测。

PPP帧格式

PPP帧格式包括以下字段：

字段	长度	描述
标志字段（Flag）	1 字节	表示帧的开始和结束，值为`0x7E`。
地址字段（Address）	1 字节	固定为`0xFF`，表示广播地址。
控制字段（Control）	1 字节	固定为`0x03`，用于指定无编号信息帧。
协议字段（Protocol）	1-2 字节	指示封装的数据类型，如IP、LCP等。
信息字段（Information）	变长	封装的实际数据，不同于PPP控制信息。
FCS字段（Frame Check Sequence）	2 或 4 字节	帧校验序列，用于错误检测。

各字段详细说明

标志字段（Flag）
- 该字段用于标识PPP帧的开始和结束，采用固定值0x7E（01111110）。
- PPP接收方通过该字段来区分帧的边界，并将每帧独立识别。
地址字段（Address）
- 通常固定为0xFF，表示广播地址。
- 在PPP协议中，点对点链路不需要具体的设备地址，因为只有两个通信方。
控制字段（Control）
- 固定值为0x03，用于表示无编号的信息帧（Unnumbered Information Frame）。
- 指定PPP不使用数据链路层编号和确认机制。
协议字段（Protocol）
- 该字段指定封装的协议类型（如IP、IPv6、LCP等）。
- 协议字段长度可以是1或2字节，其中常见协议类型包括：
  - 0x0021：IP协议。
  - 0xC021：链路控制协议（LCP）。
  - 0x8021：网络控制协议（NCP）。
信息字段（Information）
- 包含实际的用户数据或控制数据。
- PPP不对信息字段的长度做严格限制，但通常会受到最大传输单元（MTU）约束。
- 若数据部分不足以填满最小帧长度，可以通过填充（padding）方式完成。
FCS字段（Frame Check Sequence）
- 用于错误检测，通过循环冗余校验（CRC）算法生成。
- 默认情况下为2字节，也可以配置为4字节，以提供更强的错误检测能力。