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一、数据链路层
这一篇记录一下五层协议体系结构中的数据链路层。这一层属于计算机网络的低层，下图是数据链路层在数据传输中的地位。
链路的意思是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有其他交叉结点。可以理解为，两台计算机互相通信的路径中包含许多这样的链路。
数据链路指的是一条包含通信协议的线路，包括硬件和软件的实现，用来传输数据。
在数据链路层中，三个重要问题：封装成帧、差错检测和可靠传输。接下来看看是什么，重点记录可靠传输的实现原理。
二、封装成帧
数据链路层传输的单位是帧，网络层的IP数据报会成为帧的数据部分，然后再加上帧首部和尾部，构成一个完整的数据帧。帧首部和尾部作为帧定界，包括一些必要的控制信息。
帧的数据部分长度有明确规定，最大传送单元（MTU）的数值是上限（1500字节）。
帧定界符标记帧开始和帧结束。数据中如果出现帧定界符号，出现了透明传输的问题。透明传输是指对上层的传输数据没有限制，数据链路层需要提供“透明传输”的服务。
所以，采用了字节填充的方法，在标记字符前插入转义字符，解决了透明传输的问题。
三、差错检测
数据链路层为了检测差错，在帧的尾部设置了一个差错检验字段，使用循环冗余校验技术（CRC）进行差错检测。
这里不作具体介绍，在计算机组成原理中有详细的原理介绍和数学计算过程。
CRC有一个缺点，只能检错而不能纠错。这样需要使用纠错码进行前向纠错，但开销很大，一般在计算机网络中不使用。真正的办法是进行重传或者丢弃出错的帧。下面可靠传输中的方法解决了数据出错/丢失的问题。
四、可靠传输
可靠传输是在不可靠信道上实现可靠的服务。看起来很抽象的说法，如图更好理解。
可靠传输提供的服务如左图，它是由双向不可靠信道实现的，如右图。
不可靠的信道传输会出现差错、丢失、重复或者失序，所以要实现可靠的服务，可靠传输协议要在不可靠信道进行双向通信。
可靠传输的原理不仅在于数据链路层，在TCP协议中也用到这种原理和方法实现可靠的服务。
实现可靠传输包括了许多协议，这些协议的更新变换不断优化传输效率。
1、停止等待协议
停止等待协议（SW，Stop-and-Wait）经历过不断完善的过程，实现可靠传输的方法就是：当发现差错时，就进行重传。
一开始，协议规定接收数据会进行确认（ACK）和否认（NAK）。后来觉得没必要使用否认机制，一方面实现原理更复杂，另一方面效率低。
因此，想到了另一种好办法是：发送方发送完一个数据后，启动一个超时计时器，开启超时重传机制。这样发现，完全不用NAK来解决出错问题，协议更简单而且反应及时。
到这里，解决了数据出错和丢失的问题，但是还有一种情况，数据重复的问题来了。后来加上发送序号解决了顺序和重复数据的问题。
确认和超时重传机制实现了该协议，所以也成为自动请求重传（AQR）。
对于数据链路层，点对点通信的往返时间确定，不太会出现时序问题，在该层实现SW协议可以不对数据组进行编号。
停止等待协议实现简单，但是缺点在于信道利用率低，每次发送一个分组然后确认，浪费了许多空闲资源。所以，进一步改进，实现流水线传输方式提高信道利用率，引出下面的滑动窗口协议。
2、滑动窗口协议
滑动窗口的概念来源于协议的工作过程中，发送窗口不断向前滑动，故称为滑动窗口协议。
发送窗口是指流水线传输数据时候，来限制可以连续发送的数据分组个数。由此看来，是一种连续的AQR协议。
发送方需要维持一个发送窗口：允许发送方已发送但还没有收到确认的分组序号的范围，窗口大小是发送方已发送未确认的最大分组数。
然后，发送方收到一个确认后发送窗口向前滑动一个单位。
工作过程：
（１）接收方只按序接收分组。当收到失序的分组，它会丢弃，并对按序的分组进行确认。如果也用窗口来定义的话，接收窗口的大小为1.
（２）接收方采用累计确认的方式。在收到n个分组之后，对按序到达的最后一个分组进行确认。
（３）发送方采用超时重传机制来重传差错或丢失的分组。一旦分组出错，在该分组之后发送的所有分组都需要重传，退回去重传已发送的N个分组，故称为回退N帧协议（GBN）。
整个过程下来可以发现，GBN协议是在SW协议基础上修改了发送方的算法，接收方算法不变。
3、选择重传协议
GBN协议很大地提高了信道利用率，但是存在一个问题正是它的名字！回退N帧意味着一个分组的差错可能会造成大量分组的重传，但是这些分组可能已经都被接收方正确接收确认了，只是由于未按序到达。
因此，选择重传协议（SR）诞生了，它来解决这个问题。
上面提到了GBN协议的接收方可看做维持了一个大小为1的接收窗口，所以要解决重复发送不必要分组的问题，接收方开启了缓存机制，接收窗口大小不再是1。当然，也不能再采用累计确认的方式，而是要对每个分组逐一确认。接收方缓存来暂存未按序到达的分组。
SR协议显然比GBD协议复杂得多。
上图则是SR协议的工作过程例子，可以看到接收方有了缓存机制之后，就能够实现只重传错误的分组，提高了效率。
五、总结
数据链路层的数据传输原理如上面所述，很奇妙地发现，在不可靠的信道上加上合适的可靠协议（SW、GBN或者SR），就可以向上提供可靠的服务。不过，目前有线网络的性能已经使得传输过程出错的概率大幅度减小，在数据链路层可以不使用确认和重传的协议。但对于无线信道传输，还存在比较高的误码率，所以在数据链路层还是要实现可靠传输为上层提供服务。
当然，这篇我主要记录学习了数据链路层的几个重要内容，包括封装成帧、差错检测和可靠传输，重点是实现可靠传输的几个协议具体内容，数据链路层的知识不止这些，还有点对点协议（PPP）、载波监听多址接入/碰撞检测（CSMA/CD）等方面的内容。
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