數(shù)據(jù)鏈路層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（如OSI模型或TCP/IP模型）中的第二層，位于物理層之上、網(wǎng)絡(luò)層之下。它主要負(fù)責(zé)在相鄰節(jié)點(diǎn)（通常指同一物理鏈路直接相連的兩個(gè)設(shè)備，如主機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與路由器之間）之間提供可靠、高效的數(shù)據(jù)幀傳輸服務(wù)。本節(jié)筆記基于湖南科技大學(xué)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》微課堂內(nèi)容，梳理數(shù)據(jù)鏈路層的核心功能、關(guān)鍵技術(shù)與常見協(xié)議。
一、數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能
數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是將物理層提供的可能出錯(cuò)的原始比特流，轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌蠠o差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。其核心功能包括：
- 封裝成幀（Framing）：將網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)的IP數(shù)據(jù)報(bào)（Packet）添加首部和尾部，組裝成“幀”（Frame）。幀是數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)幕締卧Ｊ撞亢臀膊堪匾目刂菩畔ⅲ绲刂沸畔ⅰń绶?biāo)識(shí)幀的開始和結(jié)束）和差錯(cuò)檢驗(yàn)碼。
- 透明傳輸：確保無論網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)的數(shù)據(jù)是什么比特組合（即使與控制字符相同），都能在鏈路上正確傳輸。常用技術(shù)是“字節(jié)填充”或“比特填充”。
- 差錯(cuò)控制：檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能出現(xiàn)的比特差錯(cuò)。主要采用循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CRC） 等技術(shù)在幀尾部添加檢錯(cuò)碼，接收方通過計(jì)算判斷幀是否出錯(cuò)。數(shù)據(jù)鏈路層通常只負(fù)責(zé)檢錯(cuò)，糾錯(cuò)一般通過重傳機(jī)制（如ARQ）實(shí)現(xiàn)。
- 流量控制：協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)處理速度，防止因接收方緩沖區(qū)不足而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。典型的協(xié)議是停止-等待協(xié)議和滑動(dòng)窗口協(xié)議。
- 鏈路管理：對(duì)于面向連接的服務(wù)（如PPP協(xié)議），數(shù)據(jù)鏈路層需要負(fù)責(zé)鏈路的建立、維持和釋放。
二、數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵技術(shù)
- 媒體訪問控制（MAC）：當(dāng)多個(gè)設(shè)備共享同一傳輸介質(zhì)（如以太網(wǎng)、Wi-Fi）時(shí)，需要MAC協(xié)議來協(xié)調(diào)設(shè)備對(duì)信道的訪問，避免沖突。主要方法包括：
- 信道劃分：如頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）。
- 隨機(jī)接入：如以太網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議（帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問）、無線局域網(wǎng)的CSMA/CA協(xié)議（帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問）。
- 輪詢：由中心節(jié)點(diǎn)控制訪問順序。
- 尋址：數(shù)據(jù)鏈路層使用MAC地址（或稱物理地址、硬件地址）來標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。MAC地址是全球唯一的48位標(biāo)識(shí)符，固化在網(wǎng)卡中。在局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)，數(shù)據(jù)幀通過MAC地址進(jìn)行尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。
三、典型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與場(chǎng)景
- 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路協(xié)議：用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直接相連的鏈路，如廣域網(wǎng)（WAN）中路由器之間的連接。典型協(xié)議是PPP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），廣泛應(yīng)用于家庭撥號(hào)上網(wǎng)和寬帶接入（如PPPoE）。它簡(jiǎn)單、提供差錯(cuò)檢測(cè)，但不支持尋址和流量控制（由上層完成）。
- 廣播信道/共享介質(zhì)協(xié)議：用于局域網(wǎng)（LAN）。最典型的是以太網(wǎng)（Ethernet） 系列協(xié)議（如IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）。以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方式（傳統(tǒng)半雙工），幀結(jié)構(gòu)包含源MAC地址和目的MAC地址。現(xiàn)代交換式以太網(wǎng)（全雙工）已基本不再需要CSMA/CD。
- 無線局域網(wǎng)協(xié)議：主要是Wi-Fi（IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)），它使用CSMA/CA協(xié)議解決隱藏終端和暴露終端問題，并在數(shù)據(jù)鏈路層包含了復(fù)雜的認(rèn)證和加密機(jī)制。
四、數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備
- 網(wǎng)橋（Bridge）：早期用于連接兩個(gè)局域網(wǎng)段，基于MAC地址進(jìn)行過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可隔離沖突域。
- 交換機(jī)（Switch）：本質(zhì)是多端口網(wǎng)橋，是現(xiàn)代局域網(wǎng)的核心設(shè)備。它通過學(xué)習(xí)建立MAC地址表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀在端口間的高速、精確轉(zhuǎn)發(fā)，能有效隔離沖突域并提高網(wǎng)絡(luò)性能。
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數(shù)據(jù)鏈路層是網(wǎng)絡(luò)通信的“本地配送員”，確保數(shù)據(jù)在直接相連的節(jié)點(diǎn)間可靠、有序地傳輸。它通過封裝成幀、差錯(cuò)控制、流量控制等手段，為上層服務(wù)提供了一個(gè)相對(duì)可靠的邏輯鏈路。理解MAC地址、以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)、交換機(jī)工作原理等，是掌握局域網(wǎng)組建與故障排查的基礎(chǔ)。在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)層學(xué)習(xí)中，我們將看到數(shù)據(jù)鏈路層的本地尋址（MAC地址）如何與網(wǎng)絡(luò)層的全局尋址（IP地址）協(xié)同工作，完成端到端的通信。
