本文首发于稀土掘金。该平台的作者 逐光而行 也是本人。

参考书籍

• 《Computer Networks (the fifth edition) 》

（注：由于我看的是英文教材，以下内容为个人理解和翻译的内容，如有不恰当之处，还望多多包涵和指出）

背景

信道经常会出现错误；传输速率有限;有非零的传播时延。

本章的目的就是学习一些协议，看他们是如何检测和纠正错误的。

数据链路层设计

作用

依托物理层收发比特。有以下作用:

• 为网络层提供定义好的服务接口。
• 处理传输错误
• 调节数据流量，使得不出现发送者拼命发送，但接收者完全跟不上的情况。

核心概念

数据链路层的核心概念是“帧”（frame）,它将从网络层接收到的包(packet)封装成帧，如下图所示：

数据链路层向网络层提供的服务 概述

实际的数据传输是从上而下经过各个层次，但是为了简化讨论，就先虚拟抽象成数据在两个主机之间的网络层和数据链路层呈U型传递。

服务分为三类：

无应答无连接服务

如以太网

如因信道噪声导致帧丢失，没有办法侦测并重发。

适用于本身错误率低、或对实时性要求高的服务(如音频）。

前者的容错恢复可依赖于更高层；而后者是因为相对而言，迟到数据带来的恶劣影响比错误数据更甚。

有应答无连接服务

在数据链路层中，应答是一种优化而不是必须，因为在更高的层中已经保证了应答。
应答的作用体现在：比如当网络层发送一个很大的包，由于帧有最大长度限制，包会被切分成一个个更小的帧。如果没有应答，一旦中途出现错误，则待网络层监测到时，整个包都得重发；但如果在链路层可以知道，就可以只对丢失的帧部分进行重发。

应答且面向连接的服务

适用于卫星信道、长途电话电路等

它保证了：

• 每帧都被编号
• 每帧都确实被接收且仅被接收一次，并且是按顺序传输的

如果应答信号丢失，将导致同一帧被来回收发多次，浪费带宽。

服务分为三个阶段：

• 连接建立。两边初始化变量、计数器追踪要从哪一帧开始接收。
• 真正开始传输帧
• 连接释放。变量、缓冲区等其他资源也被释放。

成帧方法（识别帧头帧尾）

目标：在使用尽量少的信道带宽的前提下，让接收方能轻易识别每一帧的开头，并且如果出错也能识别（不会导致后面一连串全错）

有以下四种方法：

• 对字节计数（少用）

方法在于在帧头用一个位记录帧的大小。

但问题在于如果这个计数位本身就是错的呢？后续就都错了。

• 填充字节标志位（由于地区编码差异，少用）

这和PPP(point to point principle)原理很像

• 填充比特标志位（常用）

原理：遇到连续5个1就后补0，在信道上传输的数据是这种修改后的形式；接收端接收数据时，再按照遇5个1就砍掉0的方法整合

用于一度很火的HDLC(high level data link control)

• Physical layer coding violations

(感觉直译不太准确，就照搬原文了，用于物理层编码有冗余的情况）

• 总结：以太网和802.11都使用了这样的综合方案：帧头有一个可能很长的序（preamble）,紧接着有个长度域。

关于差错控制和流控制的一些说明

差错控制和流控制并不是只在数据链路层有，因为这是个全局的概念；相反，他们在更高层中更为常见。

数据链路层在这方面仅仅是尽力而为，它们往往以最简单、最纯净的形式出现。

差错控制（保证帧以正确顺序传输）

• 接收端成功接收信息后向发送端提供正反馈；否则提供负反馈
• 为解决帧发送或者信息回传过程中丢失而导致错误的问题，引入了超时机制。超过一定时间没接收应答，说明有问题
• 然而，若频繁超时，频繁重传也会带来新问题。于是给每个帧的外部添加序列号，使得接收方可以识别被重传的帧。

流控制（解决发送的实时流量大于接收方所能承受的界限的问题）

• 基于接收方反馈的流控制（在链路层及以上很常见）

接收方对流量进行反馈，如允许发送方发送更大流量的数据

原则：在接收方发送同意请求之前，禁止发送方发送多余的帧

• 基于速率限制的流控制（只作为传输层的一部分）

系统对流量有个最大速率限制