计算机网络学习：封装成帧、差错检测和可靠传输

雨点打透心脏的1/2处 2022-10-22 07:52 80阅读 0赞

**目录**

一、数据链路层

二、封装成帧

三、差错检测

四、可靠传输

1、停止等待协议

2、滑动窗口协议

3、选择重传协议

五、总结

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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。

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**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）。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NoYXJ6b3Vz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**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。

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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。

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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**。

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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。

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**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。

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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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