c**a exploration - 網路基礎知識
7 資料鏈路層
7.0 本章簡介
7.0.1 本章簡介
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為了支援通訊，osi 模型將資料網路的功能劃分為多個層。
各層概述如下：
應用層提供使用者介面。
傳輸層負責劃分和管理兩個終端系統中執行的各流程之間的通訊。
網路層協議負責組織通訊資料，以便其在網間實現從源主機到目的主機之間的傳輸。
網路層資料報在從源主機傳輸到目的主機的過程中，必須通過各種物理網路。這些物理網路可由不同型別的物理介質組成，如銅線、微波、光纖以及衛星鏈路。網路層資料報無法直接訪問這些介質。
osi 資料鏈路層的功能是使網路層資料報做好傳輸準備以及控制對物理介質的訪問。
本章將介紹資料鏈路層的常見功能以及與其相關的各種協議。
學習目標
在本章中，您將學會：
說明資料鏈路層協議在資料傳輸中的作用。
闡述資料鏈路層如何準備資料，以便通過網路介質傳輸。
描述不同型別的介質訪問控制方法。
認識幾種常見的邏輯網路拓撲，還可以說明邏輯拓撲確定網路介質訪問控制方法的方式。
解釋將資料報封裝成幀以方便介質訪問的意圖。
描述第 2 層幀結構並認識通用字段。
解釋幀頭和幀尾主要字段（包括編址、服務質量、協議型別以及幀校驗序列）的功能。
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7.1 資料鏈路層 — 訪問介質
7.1.1 資料鏈路層 — 支援並連通上層服務
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資料鏈路層提供了一種通過公共本地介質進行資料交換的方式。
資料鏈路層執行以下兩種基本服務：
允許上層使用成幀之類的各種技術訪問介質。
控制如何使用介質訪問控制和錯誤檢測之類的各種技術將資料放置到介質上，以及從介質接收資料。
與每個 osi 層一樣，這一層也有許多特定的術語：
幀 — 資料鏈路層 pdu
節點 — 在第 2 層對連線到公共介質的網路裝置的稱謂
**/介質（物理）* — 用於在兩個節點之間傳輸資訊的物理手段
網路（物理）** — 連線到公共介質的兩個或多個節點
資料鏈路層負責通過物理網路的介質在節點之間交換幀。
* 必須理解本章節內容中的「介質」的含義。在本文中，這個詞是指實際傳送代表所傳輸資料的訊號的物質。介質是用於傳輸訊號的銅線、光纖或大氣。
本章中的介質 (media) 和談及數字內容和多**時用到** (media) 一詞不同，後者指諸如音訊、動畫、電視和**之類的內容編排。
** 物理網路不同於邏輯網路。邏輯網路是在安排分層編址方案時在網路層定義的。物理網路表示公共介質上各裝置的互連。有時，物理網路也稱作網段。
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上層對介質的訪問
如前文所述，網路模型可以使各個層的正常運作極少受其它層功能的影響。資料鏈路層負責將資料放置到網路上並從網路接收資料，從而緩解了上層的壓力。該層提供了各種服務來支援資料傳輸經過的各介質的通訊過程。
在任意指定的網路層資料報交換過程中，可能存在多次資料鏈路層和介質的轉換。在路徑沿途的每一跳上，中間裝置（通常為路由器）從介質接收幀、解封幀，然後將資料報重新封裝在適合該段物理網路介質的新幀中，再**出去。
請試想一下兩台遠端主機（如在巴黎的 pc 與在日本的 inter*** 伺服器）之間的資料通訊。儘管兩台主機可能通過對等點網路層協議（如 ip）來相互通訊，但是很可能使用了多種資料鏈路層協議才能使 ip 資料報通過各種 lan 和 wan 網路進行傳輸。兩台主機之間的這類資料報交換需要資料鏈路層上必須有多種不同的協議。
路由器中的每次轉換都可能需要不同的資料鏈路層協議，這樣才能在新介質中傳輸。
請注意，圖中各裝置之間的每條鏈路均使用了不同的介質。pc 與路由器之間是乙太網鏈路。各路由器是通過衛星鏈路相連，而膝上型電腦是通過無線鏈路連線到最後乙個路由器。
在本示例中，在 ip 資料報從 pc 傳送到膝上型電腦的過程中，它將被封裝為乙太網幀，再經過解封、處理，然後封裝為新的資料鏈路幀穿過衛星鏈路。對於最終鏈路，資料報將使用從路由器到膝上型電腦的無線資料鏈路幀。
資料鏈路層有效隔離了上層中的通訊過程，避免了可能發生的端對端介質轉換。從上層協議（在本示例中，為 ipv4 或 ipv6）接收資料報或把資料報發往該協議，都無需知道通訊將使用何種介質。
如果沒有資料鏈路層，則網路層協議（如 ip）必須提供連線到傳送路徑中可能存在的各種型別介質所需的連線。而且，每當系統開發出一種新的網路技術或介質時，ip 必須做出相應調整。此過程會妨礙協議和網路介質的創新和發展。
這是採用分層式方法進行聯網的主要原因。
資料鏈路層的服務範圍必須包括當前使用的所有介質型別以及訪問它們的方法。鑑於資料鏈路層所提供通訊服務的數量，很難歸納出它們的功能並提供一組通用服務的示例。因此，請注意：
任意指定協議可能支援，也可能不支援所有此類資料鏈路層服務。
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7.1.2 資料鏈路層 — 控制通過本地介質的傳輸
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第 2 層協議指定了將資料報封裝成幀的過程，以及用於將已封裝資料報放置到各介質上和從各介質獲取已封裝資料報的技術。用於將幀放置到介質上和從介質獲取幀的技術稱為介質訪問控制方法。對於通過多種不同介質傳輸的資料，各通訊過程可能需要不同的介質訪問控制方法。
在資料報從本地主機傳送到遠端主機的過程中，其遇到的各種網路環境可能具有不同的特性。例如，某個網路環境可能是由在對等的基礎上爭相訪問網路介質的多台主機組成的。而另乙個環境可能是由兩個裝置之間的直接連線組成的，資料就是通過此連線井然有序地按位元順序流動。
。作為終端裝置的節點使用介面卡來連線到網路。例如，要連線到 lan，裝置將使用適當的網路介面卡 (nic) 來連線到 lan 介質。介面卡管理著成幀和介質訪問控制的方式。
在類似路由器這樣的裝置中，介質型別可能會因各種連入的網路而變，此時系統將使用路由器上的不同物理介面把資料報封裝到適當的幀中，並使用適當的介質訪問控制方式來訪問各條鏈路。圖中的路由器具有連線到 lan 的乙個乙太網介面和連線到 wan 的乙個序列介面。在處理幀的過程中，路由器將使用資料鏈路層服務從某個介質接收幀，再將它解封到第 3 層 pdu，然後將 pdu 重新封裝到新幀中，再將幀放到網路下一鏈路的介質中。
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7.1.3 資料鏈路層 — 建立幀
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幀是每個資料鏈路層協議的關鍵要素。資料鏈路層協議需要控制資訊才能使協議正常工作。控制資訊可能提供以下資訊：
哪些節點正在相互通訊
各節點之間開始通訊和結束通訊的時間
節點通訊期間發生了哪些錯誤
接下來哪些節點會參與通訊
資料鏈路層使用幀頭和幀尾將資料報封裝成幀，以便經本地介質傳輸資料報。
與本課程中討論過的其他 pdu 不同，資料鏈路層幀包括：
資料 — 來自網路層的資料報
幀頭 — 包含控制資訊（如編址資訊）且位於 pdu 開頭位置
幀尾 — 包含新增到 pdu 結尾處的控制資訊
我們將在本章後續內容中更加詳細地論述這些幀要素。
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轉換資料格式以供傳輸
當資料在介質上傳輸時，它會轉換成位元流（即 1 和 0）。如果節點要接收很長的位元流，它如何確定幀的起始位置和停止位置以及哪些位代表位址？
成幀技術將位元流拆分成可破解的多個分組，且將控制資訊作為不同字段值插入幀頭和幀尾中。此格式使物理訊號具備能被節點接收且可在目的地解碼成資料報的一種結構。
典型字段型別包括：
開始和停止指示字段 — 幀的開始和結束限制
命名或編址字段
型別字段 — 包含在幀中的 pdu 的型別
控制 — 流量控**務
資料字段 — 幀負載（網路層資料報）
幀結尾處的字段形成了幀尾。這些欄位的用途是錯誤檢測和標示幀的結束。
並非所有協議均包含全部此類字段。特定資料鏈路協議的標準定義了實際幀格式。我們將在本章結束時討論幀格式示例。
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7.1.4 資料鏈路層 — 將上層服務連線到介質
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資料鏈路層是其上各層的軟體程序與其下的物理層之間的連線層。因此，它使網路層資料報做好通過各種介質（銅纜、光纖或大氣）向外傳輸的準備。
在許多情況下，資料鏈路層均是物理實體（如乙太網網路介面卡 (nic)），它會插入計算機的系統匯流排中並將計算機上執行的軟體程序與物理介質相連。但是，網絡卡並不僅是乙個物理實體。與網絡卡相關的軟體可使網絡卡執行中間功能，即準備好傳輸資料並將資料編碼為可在相關介質上傳送的訊號。
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資料鏈路子層
為支援各式各樣的網路功能，資料鏈路層通常拆分成兩個子層：上子層和下子層。
上子層定義了向網路層協議提供服務的軟體程序。
下子層定義了硬體所執行的介質訪問程序。
通過將資料鏈路層拆分成兩個子層，上層定義的一類幀將可以訪問下層定義的不同型別的介質。在許多 lan 技術（包括乙太網）中，均是如此。
兩種常見 lan 子層為：
邏輯鏈路控制
邏輯鏈路控制 (llc) 放入幀中的資訊用於確定幀所使用的網路層協議。此資訊允許多個第 3 層協議（如 ip 和 ipx）使用相同的網路介面和介質。
介質訪問控制
介質訪問控制 (mac) 根據介質的物理訊號要求和使用的資料鏈路層協議型別，提供資料鏈路層編址和資料分界方法。
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7.1.5 資料鏈路層 — 標準
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與 tcp/ip 的上層協議不同，資料鏈路層協議通常不是由請求註解 (rfc) 定義的。inter*** 工程任務組 (ietf) 雖然維護著 tcp/ip 協議族上層的工作協議和服務，但它沒有定義該模型的網路接入層的功能和操作。tcp/ip 網路接入層相當於 osi 資料鏈路層和物理層。
我們將在單獨的章節中具體討論這兩層。
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