一、数据链路的概念以及相关基础知识
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
- 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
- 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。
数据链路层只关注数据在链路层流通的情况：
1.1数据链路和帧
数据链路 (data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
- 现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。
- 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。
- 物理链路就是上面所说的链路。
- 逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。
数据链路层传送的是帧
数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。
二、数据链路层的三个基本问题
- 封装成帧
- 透明传输
- 差错控制
2.1封装成帧
封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
对于定界而言，我们可以使用控制字符进行帧定界
当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。
例子：
控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。
2.2透明传输
当然了，我们有可能会想到当我们的首部和尾部在数据中就已经出现的时候，那么我们的帧怎么定界呢？？？
解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。
- 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC” (其十六进制编码是 1B)。
- 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
- 如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
2.3差错检测
在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)
- 误码率与信噪比有很大的关系
- 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
2.3.1循环冗余检验
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
- 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
- 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。
- 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
- 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
- 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。
例子：
现在 k = 6, M = 101001。
设 n = 3, 除数 P = 1101，
被除数是 2nM = 101001000。
模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001。
把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R 。即：101001001，共 (k + n) 位。
接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验
- (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
- (2) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。
2.3.2帧检验序列 FCS
在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
- CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
- FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。
2.3.3差错检测只是保证在传输过程中帧无差错
仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。
“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”
在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
三、PPP协议
上面也已经说了，数据链路使用的信道主要有以下两种类型，一种是广播，一种就是点对点。
对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。
PPP 协议有三个组成部分：
- (1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
- (2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
- (3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。
3.1PPP协议帧的格式
PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
控制字段 C 通常置为 0x03。
PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
3.2PPP协议透明传输的问题
与上面在信道传输的数据一样、PPP协议也是要解决透明传输的问题，来确保我们的帧的定界。
- 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。
- 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
3.2.1字符填充
- 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。
- 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)。
- 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。
3.2.2零比特填充
- PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
- 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。
- 接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除
