数据链路层：网络通信的可靠基石

数据链路层的核心功能概述

数据链路层位于OSI模型的第二层，直接为网络层提供服务，主要功能包括组帧、差错控制、流量控制与可靠传输。该层通过物理链路实现相邻节点间的数据传输，确保数据在不可靠的物理介质上可靠传递。核心任务包括：

组帧/封装成帧：将比特流划分为可识别的数据帧，添加头部和尾部控制信息。
差错控制：检测或纠正传输过程中的比特错误，常用机制如CRC校验。
流量控制：协调发送方与接收方的速率匹配，避免接收方缓冲区溢出。
可靠传输机制：通过确认重传等机制保证数据不丢失、不重复。

组帧/封装成帧技术

数据链路层将原始比特流封装为帧，需解决帧定界、透明传输问题。常见方法包括：

字符计数法：帧头部标明字符数，但易因计数错误导致后续帧同步丢失，已淘汰。
字符填充法：使用特殊字符（如DLE STX/ETX）标记帧边界，遇到相同字符时插入转义符。
比特填充法（如HDLC）：帧首尾使用固定比特模式（如01111110），发送方遇到连续5个1自动插入0。
物理层编码违例法：利用无效物理层信号（如曼彻斯特编码中的高-高电平）标记边界。

示例：HDLC帧格式

| Flag (8) | Address (8) | Control (8) | Data (N) | FCS (16) | Flag (8) |

其中Flag为01111110，FCS为帧校验序列。

差错控制机制

数据链路层通过检错与纠错技术应对传输错误：

奇偶校验：单比特检错，通过添加奇偶位使1的个数为奇数或偶数。
校验和：将数据分段求和取反，接收方验证和是否为零。
循环冗余校验（CRC）：基于多项式除法，生成冗余码附加到数据后。常用多项式如CRC-16（x^16 + x^15 + x^2 + 1）。

CRC计算示例
发送数据101001，生成多项式1101（阶数3）：

数据左移3位：101001000
执行模2除法，余数001作为FCS。

流量控制与可靠传输机制

流量控制解决发送速率与接收处理能力不匹配问题，主要方法：

停止-等待协议

发送方每发一帧等待确认（ACK）后再发下一帧。
超时未收到ACK则重传，简单但信道利用率低。

滑动窗口协议

后退N帧（GBN）：允许连续发送多帧，累积确认下丢失帧需重传后续所有帧。
选择重传（SR）：仅重传错误或丢失的帧，需缓存已接收的乱序帧。

窗口大小限制

GBN：窗口大小 ≤ 2^n - 1（n为帧编号位数）。
SR：发送/接收窗口 ≤ 2^(n-1)。

典型协议实现对比

以太网（IEEE 802.3）：使用MAC地址、CSMA/CD（已淘汰），无确认机制，依赖高层重传。
PPP协议：支持差错检测（CRC）、但不纠错，适用于点对点链路。
无线网络（802.11）：通过ACK帧实现可靠传输，适应高噪声环境。

通过上述机制，数据链路层在不可靠物理链路上实现了高效、可靠的数据传输，为上层协议提供了坚实基础。

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