數(shù)據(jù)鏈路層簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型中的第二層，介乎于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，其最基本的服務(wù)是將源自網(wǎng)絡(luò)層來(lái)的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)的目標(biāo)機(jī)網(wǎng)絡(luò)層。為達(dá)到這一目的，數(shù)據(jù)鏈路必須具備一系列相應(yīng)的功能，主要有：如何將數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)鏈路層中稱這種數(shù)據(jù)塊為幀(frame)，幀是數(shù)據(jù)鏈路層的傳送單位;如何控制幀在物理信道上的傳輸，包括如何處理傳輸差錯(cuò)，如何調(diào)節(jié)發(fā)送速率以使與接收方相匹配;以及在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)鏈路通路的建立、維持和釋放的管理。

數(shù)據(jù)鏈路層的分類

1、邏輯控制子層

數(shù)據(jù)鏈路層的LLC子層用于設(shè)備間單個(gè)連接的錯(cuò)誤控制，流量控制。與MAC層不同，LLC和物理媒介全無(wú)關(guān)系。媒介是CSMA/CD的802.3還是802.5的令牌環(huán)都沒關(guān)系。它在LAN中是獨(dú)立的802.2。在LLC之上的網(wǎng)絡(luò)層可以是無(wú)連接、響應(yīng)的無(wú)連接或面向連接的不同業(yè)務(wù)。

LLC用業(yè)務(wù)接入點(diǎn)SAP訪問上層協(xié)議，有了SAP，站點(diǎn)就能在LLC層只用一個(gè)接口同時(shí)與幾個(gè)高層協(xié)議玩。一個(gè)SAP是簡(jiǎn)單的地址或協(xié)議ID，內(nèi)容則為空的LLC幀。LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(LLCPDU)即LPDU。它包括：DSAP(目的SAP)/SSAP(源SAP);一個(gè)定義吞吐量?jī)?yōu)先級(jí)的控制域(Controlfield);和含帶數(shù)據(jù)的信息域。在接收方，DSAP例如協(xié)議ID就是消息要被遞送的，通常DSAP和SSAP是一樣的，因?yàn)閮啥酥挥性谕N協(xié)議間才能通信。例如當(dāng)SAP為AA，代表SNAP(子層接入?yún)f(xié)議)。SNAP是個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的，或廠商特定的協(xié)議，用于接入?yún)f(xié)議的業(yè)務(wù)。例如當(dāng)SAP為06，則代表IP協(xié)議;當(dāng)SAP為FO，代表NetBIOS(網(wǎng)絡(luò)基本輸入/輸出協(xié)議)。SAP為FF表示廣播的Global協(xié)議。

SNAP機(jī)制

規(guī)范種DSAP都只有一個(gè)字節(jié)，那不足夠區(qū)分所有協(xié)議了。SNAP就來(lái)了，而且它支持在LLC幀上傳廠商的協(xié)議。這樣傳遞的協(xié)議就被放入所謂SNAP幀中了。SNAP”ㄍ酚形遄紙冢前三字節(jié)為廠商號(hào)，后兩字節(jié)指示協(xié)議。

以太網(wǎng)有兩種版本：IEEE(802.2、802.3);DIX(DEC、Intel、Xerox)又稱V2以太網(wǎng)。DIX幀在源地址之后是兩字節(jié)的Type，例如IP。

IEEE以太網(wǎng)幀，在源地址后是幀長(zhǎng)度指示，在隨后的數(shù)據(jù)域中才是標(biāo)準(zhǔn)的LPDU封裝，包括DSAP/SSAP/控制域/Data。在這個(gè)Data中會(huì)有協(xié)議ID、以太類型指示，例如以太類型806表示地址解析協(xié)議ARP。以太網(wǎng)卡通過跳針或軟件可以設(shè)置需要的以太網(wǎng)版本，DIX通常都設(shè)的，因?yàn)榇蠹s90%的網(wǎng)絡(luò)都用此版本。請(qǐng)注意網(wǎng)絡(luò)所有要通信的站點(diǎn)應(yīng)設(shè)成相同版本。

2、介質(zhì)訪問層

介質(zhì)訪問控制是解決當(dāng)局域網(wǎng)中共用信道的使用產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，如何分配信道的使用權(quán)問題。

邏輯鏈路LogicalLinks

LogicalLinks邏輯鏈路邏輯鏈路是實(shí)際電路或邏輯電路上交換通信信息的兩個(gè)端系統(tǒng)之間的一種協(xié)議驅(qū)動(dòng)通信會(huì)話。協(xié)議棧定義了兩個(gè)系統(tǒng)在某種介質(zhì)上的通信。在協(xié)議棧低層定義可用的多種不同類型的通信協(xié)議，如局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)和象X.25或幀中繼這樣的分組交換網(wǎng)絡(luò)。邏輯鏈路在物理鏈路(可以是銅線、光纖或其他介質(zhì))上的兩個(gè)通信系統(tǒng)之間形成。根據(jù)OSI協(xié)議模型，這些邏輯鏈路只在物理層以上存在。你可以認(rèn)為邏輯鏈路是存在于網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)末斷系統(tǒng)間的線路。

面向連接的服務(wù)為了保證可靠的通信，需要建立邏輯線路，但在兩個(gè)端系統(tǒng)間要維持會(huì)話。面向需要應(yīng)答連接的服務(wù)分組傳輸并有返回信號(hào)的邏輯線路。這種服務(wù)產(chǎn)生更大的開銷，但更加可靠。無(wú)應(yīng)答不連接服務(wù)無(wú)需應(yīng)答和預(yù)先的傳送。在端系統(tǒng)間沒有會(huì)話。

OSI協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層可進(jìn)一步細(xì)分為較低的介質(zhì)訪問控制(MAC)子層和較高的邏輯鏈路控制(LLC)子層。當(dāng)它接收到一個(gè)分組后，它從MAC子層向上傳送。如果有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備相連，LLC層可能將分組送給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。例如，在一個(gè)NetWare服務(wù)器上，你可能既安裝了以太網(wǎng)絡(luò)適配器又安裝了令牌網(wǎng)絡(luò)適配器，NetWare自動(dòng)地在連接到適配器的網(wǎng)絡(luò)間橋接，這樣原來(lái)在以太網(wǎng)上的分組就可以傳送到令牌網(wǎng)上的目的地了，LLC層就象網(wǎng)絡(luò)段間的交換或鏈路中繼，它將以太網(wǎng)的幀重裝成令牌環(huán)網(wǎng)的幀。

數(shù)據(jù)鏈路層的工作原理

1.成幀(幀同步)

為了向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，數(shù)據(jù)鏈路層必須使用物理層提供的服務(wù)。而物理層是以比特流進(jìn)行傳輸?shù)?，這種比特流并不保證在數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有錯(cuò)誤，接收到的位數(shù)量可能少于、等于或者多于發(fā)送的位數(shù)量。而且它們還可能有不同的值，這時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層為了能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效的差錯(cuò)控制，就采用了一種”幀”的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傳輸。而要采幀格式傳輸，就必須有相應(yīng)的幀同步技術(shù)，這就是數(shù)據(jù)鏈路層的”成幀”(也稱為”幀同步”)功能。

采用幀傳輸方式的好處是：在發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤時(shí)，只需將有差錯(cuò)的幀再次傳送，而不需要將全部數(shù)據(jù)的比特流進(jìn)行重傳，這就在傳送效率上將大大提高。采用幀傳輸方式的好處是帶來(lái)了兩方面的問題：

(1)如何識(shí)別幀的開始與結(jié)束;

(2)在夾雜著重傳的數(shù)據(jù)幀中，接收方在接收到重傳的數(shù)據(jù)幀時(shí)是識(shí)別成新的數(shù)據(jù)幀，還是識(shí)別成重傳幀呢?這就要靠數(shù)據(jù)鏈路層的各種”幀同步”技術(shù)來(lái)識(shí)別了。”幀同步”技術(shù)既可使接收方能從并不是完全有序的比特流中準(zhǔn)確地區(qū)分出每一幀的開始和結(jié)束，同時(shí)還可識(shí)別重傳幀。

2.差錯(cuò)控制

在數(shù)據(jù)通信過程中可能會(huì)因物理鏈路性能和網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境等因素，難免會(huì)出現(xiàn)一些傳送錯(cuò)誤，但為了確保數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確，又必須使得這些錯(cuò)誤發(fā)生的幾率盡可能低。這一功能也是在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的，就是它的”差錯(cuò)控制”功能。在數(shù)字或數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通常利用抗干擾編碼進(jìn)行差錯(cuò)控制。一般分為4類：前向糾錯(cuò)(FEC)、反饋檢測(cè)(ARQ)、混合糾錯(cuò)(HEC)和信息反饋(IRQ)。

FEC方式是在信息碼序列中，以特定結(jié)構(gòu)加入足夠的冗余位–稱為”監(jiān)督元”(或”校驗(yàn)元”)。接收端解碼器可以按照雙方約定的這種特定的監(jiān)督規(guī)則，自動(dòng)識(shí)別出少量差錯(cuò)，并能予以糾正。FEC最適合于實(shí)時(shí)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。

在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸中，常用ARQ差錯(cuò)控制方式。解碼器對(duì)接收碼組逐一按編碼規(guī)則檢測(cè)其錯(cuò)誤。如果無(wú)誤，向發(fā)送端反饋”確認(rèn)”ACK信息;如果有錯(cuò)，則反饋回ANK信息，以表示請(qǐng)求發(fā)送端重復(fù)發(fā)送剛剛發(fā)送過的這一信息。ARQ方式的優(yōu)點(diǎn)在于編碼冗余位較少，可以有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，同時(shí)編解碼簡(jiǎn)單。由于檢錯(cuò)與信道特征關(guān)系不大，在非實(shí)時(shí)通信中具有普遍應(yīng)用價(jià)值。

HEC方式是上述兩種方式的有機(jī)結(jié)合，即在糾錯(cuò)能力內(nèi)，實(shí)行自動(dòng)糾錯(cuò);而當(dāng)超出糾錯(cuò)能力的錯(cuò)誤位數(shù)時(shí)，可以通過檢測(cè)而發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，不論錯(cuò)碼多少都可以利用ARQ方式進(jìn)行糾錯(cuò)。

IRQ方式是一種全回執(zhí)式最簡(jiǎn)單差錯(cuò)控制方式。在該檢錯(cuò)方式中，接收端將收到的信碼原樣轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)送端，并與原發(fā)送信碼相比較，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則發(fā)送端再進(jìn)行重發(fā)。只適于低速非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，是一種較原始的做法。

3.流量控制

在雙方的數(shù)據(jù)通信中，如何控制數(shù)據(jù)通信的流量同樣非常重要。它既可以確保數(shù)據(jù)通信的有序進(jìn)行，還可避免通信過程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榻邮辗絹?lái)不及接收而造成的數(shù)據(jù)丟失。這就是數(shù)據(jù)鏈路層的”流量控制”功能。

數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收必須遵循一定的傳送速率規(guī)則，可以使得接收方能及時(shí)地接收發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)。并且當(dāng)接收方來(lái)不及接收時(shí)，就必須及時(shí)控制發(fā)送方數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，使兩方面的速率基本匹配。

4.鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路層的”鏈路管理”功能包括數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放三個(gè)主要方面。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送方必須確知接收方是否已處在準(zhǔn)備接收的狀態(tài)。為此通信雙方必須先要交換一些必要的信息，以建立一條基本的數(shù)據(jù)鏈路。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)要維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，而在通信完畢時(shí)要釋放數(shù)據(jù)鏈路。

5.MAC尋址

這是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層主要功能。這里所說(shuō)的”尋址”與下一章將要介紹的”IP地址尋址”是完全不一樣的，因?yàn)榇颂幩鶎ふ业牡刂肥怯?jì)算機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址，也稱”物理地址”、”硬件地址”，而不是IP地址。

在以太網(wǎng)中，采用媒體訪問控制(MediaAccessControl，MAC)地址進(jìn)行尋址，MAC地址被燒入每個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡中。這在多點(diǎn)連接的情況下非常必需，因?yàn)樵谶@種多點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)通信中，必須保證每一幀都能準(zhǔn)確地送到正確的地址，接收方也應(yīng)當(dāng)知道發(fā)送方是哪一個(gè)站。

6.區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和控制信息

由于數(shù)據(jù)和控制信息都是在同一信道中傳輸，在許多情況下，數(shù)據(jù)和控制信息處于同一幀中，因此一定要有相應(yīng)的措施使接收方能夠?qū)⑺鼈儏^(qū)分開來(lái)，以便向上傳送僅是真正需要的數(shù)據(jù)信息。

7.透明傳輸

這里所說(shuō)的”透明傳輸”是指可以讓無(wú)論是哪種比特組合的數(shù)據(jù)，都可以在數(shù)據(jù)鏈路上進(jìn)行有效傳輸。這就需要在所傳數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧與某一個(gè)控制信息完全一樣時(shí)，能采取相應(yīng)的技術(shù)措施，使接收方不會(huì)將這樣的數(shù)據(jù)誤認(rèn)為是某種控制信息。只有這樣，才能保證數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸是透明的。

常用的數(shù)據(jù)鏈路層

1、TCP/IP支持多種不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，這取決于網(wǎng)絡(luò)使用的硬件，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)、FDDI等局域網(wǎng)，串行線路、X.25、幀中繼FR、ATM等廣域網(wǎng)。

2、早期，由于各網(wǎng)絡(luò)公司的競(jìng)爭(zhēng)，局域網(wǎng)沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了將各種局域網(wǎng)融合，將鏈路層拆分成兩層，邏輯鏈路層(LLC)和媒體接入控制(MAC)(802.3封裝：SAP)，

3、90年代，以太網(wǎng)取得壟斷地位，以太網(wǎng)成為局域網(wǎng)代名詞。數(shù)據(jù)鏈路層僅需要MAC層，采用以太網(wǎng)幀格式(EthernetV2封裝：ARPA)。