第五章 数据链路层
5.1 数据链路层的功能与作用
数据链路层是网络分层模型中的第二层，主要负责在相邻节点间提供可靠的数据传输服务，其功能包括：
- 帧的封装与解封装：将网络层的数据分组封装成帧并处理收到的帧。
- 错误检测与纠正：通过校验机制检测并尝试纠正传输中的错误。
- 流量控制与拥塞控制：管理数据传输速度，防止缓冲区溢出。
- 介质访问控制（MAC）：控制多个设备共享通信介质的访问权限。
5.2 帧的格式与结构
帧是数据链路层传输的基本单位，其一般结构包括以下部分：
- 帧头（Header）：包含源地址、目的地址和控制信息。
- 数据（Payload）：实际 承载的网络层数据。
- 帧尾（Trailer）：用于错误检测（如循环冗余校验CRC）。
示例帧结构：
| 字段 | 内容 | 作用 |
|---|---|---|
| 帧头 | 源地址、目的地址、控制信息 | 标识发送方、接收方及控制信息 |
| 数据 | 网络层数据 | 实际传输内容 |
| 帧尾 | CRC校验码 | 检测传输错误 |
5.3 数据链路层协议
5.3.1 HDLC（High-Level Data Link Control）
- 特点：面向比特流的同步协议，支持全双工通信。
- 应用：广泛用于点对点和多点链路。
5.3.2 PPP（Point-to-Point Protocol）
- 特点：面向字符的协议，支持多种网络层协议。
- 应用：常用于电话拨号连接和DSL网络。
5.3.3 Ethernet（以太网）
- 特点：广泛使用的局域网技术，支持多种数据速率。
- 应用：局域网（LAN）连接的主流协议。
5.4 错误检测与纠正
5.4.1 错误检测方法
- 奇偶校验：通过奇数或偶数个1的位数检查错误。
- 循环冗余校验（CRC）：通过生成多项式检测错误。
- 校验和：对数据的所有字节求和并传输总和值。
5.4.2 错误纠正方法
- 自动重传请求（ARQ）：检测到错误后重新发送帧。
- 前向纠错（FEC）：通过附加冗余信息在接收端直接纠正错误。
5.5 链路控制
5.5.1 流量控制
- 定义：协调发送方和接收方的传输速度，避免缓冲区溢出。
- 方法：
- 停止-等待协议（Stop-and-Wait Protocol）
- 滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）
5.5.2 拥塞控制
- 定义：防止网络因过多的数据流而出现拥堵。
- 方法：
- 网络层与数据链路层的联合优化。
- 队列管理机制，如尾丢弃（Tail Drop）和加权公平队列（WFQ）。
5.6 MAC（介质访问控制）协议
介质访问控制（MAC）协议负责协调多个设备在共享通信媒介上的访问，其主要类型包括：
5.6.1 随机访问协议
- 特点：设备以随机方式访问介质。
- 示例：
- ALOHA：简单但效率较低。
- CSMA/CD：以太网中使用的载波监听多路访问及冲突检测。
5.6.2 受控访问协议
- 特点：通过分配权限来避免冲突。
- 示例：
- 令牌环协议（Token Ring）
- 轮询机制（Polling）
5.6.3 信道划分协议
- 特点：通过分割时间、频率或代码实现介质共享。
- 示例：
- 时分多址（TDMA）
- 频分多 址（FDMA）
- 码分多址（CDMA）