【小菜学网络】数据链路层概述

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？

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：

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 。

当 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。

复用与分用

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。

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 。

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】