数据链路层概述

最浪费不起的是时间。

—— 丁肇中

上一小节,我们以两台主机为例,讨论了一个理想化的物理层模型。 现在,我们将问题进一步延伸:多台主机如何实现两两通讯呢?我们以三台主机为例进行讨论:

如上图,有 3 台主机,名字分别是: ant 、 bee 以及 cicada 。 为了实现主机间通讯,我们将三者连接到一根共用导线。每台主机都可以改变导线电平,也可以检测导线电平。 与此同时,假设在硬件层面,多方通讯冲突仲裁机制已经实现并且可用。 这样,是否就解决了多主机通讯问题呢?

主机寻址

假设, ant 向 bee 发送一个数据 11110000 (粗体)。由于导线是共享的,所有主机都可以检测到电平信号。换句话讲, bee 和 cicada 都会收到这个数据 11110000 ,而 cicada 本不应该接收这个数据!另一方面, bee 收到数据后,也不知道数据到底是谁发给它的。

为了简化接下来的讨论,我们省略了物理层起止控制比特 1010 和 0101 。

数据不禁产生困惑:我从哪来?去往何方?

为此,我们需要引入一些比特,用来标识数据的 来源 以及 目的地 。例子中只有 3 台主机,两个比特就足以唯一确定一台主机:

机器 比特
ant 00
bee 01
cicada 10

那么,发送数据时,再加上两个比特用于表示来源主机,两个比特表示目标主机,问题不就解决了吗?

如图,主机下方的灰色比特唯一标识一台主机:

ant 发送数据时,在最前面加上两个比特(红色)用于标识来源机器, 00 表示 ant ;另外两个比特(绿色)用于标识目标机器, 01 表示 bee

bee 收到数据后,检查前两个比特(红色),值为 00 ,便知道它是 ant 发出来的;检查紧接着的两个比特(绿色),值为 01 ,与自己匹配上,便愉快地收下了。相反, cicada 收到数据后,发现 01 和自己 10 匹配不上,便丢弃这个数据。

新引入比特所起的作用,在计算机网络中称为 寻址 。 这两个比特也就称为 地址 ,其中,红色为源地址,绿色为目的地址。 引入寻址机制后,我们完美地解答了数据从哪来,到哪去的困惑。

信道复用

信道只有一个,但是通讯需求是无穷无尽的——传输研究数值、文件打印、即时通讯,不一而足。 如何解决这个矛盾呢?套路还是一样的——引入新的比特标识数据类型。

假设,总的通讯需求就上面这 3 个。那么, 2 个额外的比特即可解决问题。

类型 比特
研究数据 00
文件打印 01
即时通讯 10

举个例子,假设 ant 向 bee 上报研究数据并打印一个文件:

bee 接收到数据后,根据紫色比特,决定数据如何处理。通过新引入的紫色比特,我们在同个信道上实现了不同的通讯!

接下来,从理论的视角来审视这个场景:

信道只有一个,却要承载多样的通讯任务。在发送端,通过加入紫色比特,将不同的数据通过一个共用信道发送出去,这个过程叫做 复用 ( Multiplexing );在接收端,从共用信道上接收数据,然后检查紫色比特决定数据如何处理,这个过程叫做 分用 ( Demultiplexing )。

在接下来的章节,我们将看到 复用分用 的思想贯彻计算机网络的始终。

到目前为止,我们引入了 3 种不同的比特,分别是 源地址目的地址 以及 数据类型 。 对于这些比特的位数以及含义的约定,便构成 网络协议

至此,我们解决了多台共用信道主机间的通讯问题,这相当于网络分层结构中的 数据链路层 。数据链路层负责为上层提供链路通讯能力,主要作用是:

  • 寻址
  • 数据复用/分用

数据链路层的协议有很多,下节我们将介绍其中最常用的 以太网协议

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