数据链路层(data link layer)通常简称为链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议。 在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。
在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提出数据部分，上交给网络层。 控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。如果发现差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以避免继续在网络中传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正数据在链路层传输时出现差错（这就是说，数据链路层不仅要检错，而且还要纠错），那么就要采用可靠性传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使链路层的协议复杂些。
基本问题
封装成帧
将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。
首部+IP数据报+尾部
透明传输
透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
差错检测
目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。
信道分类
广播信道
一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。
所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。
主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。
点对点信道
一对一通信。因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。
信道复用技术
频分复用
频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。
时分复用
时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。
统计时分复用
是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。
波分复用
光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。
码分复用
CSMA/CD协议
CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
- 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
- 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
- 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
PPP协议
互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
PPP 的帧格式：
- F 字段为帧的定界符
- A 和 C 字段暂时没有意义
- FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
- 信息部分的长度不超过 1500
F+A+C+协议+IP数据报+FCS+F
MAC地址
MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。
一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
局域网
局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。
可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：星型、环型、直线型。
以太网
以太网是一种星型拓扑结构局域网。
早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
以太网帧格式：
- 类型 ：标记上层使用的协议；
- 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
- FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
目的地址+源地址+类型+IP数据报+FSC
交换机
交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。
下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
MAC地址和IP地址分别有什么用
- MAC 地址是数据链路层和物理层使用的地址，是写在网卡上的物理地址。MAC 地址用来定义网络设备的位置。
- IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。IP 地址用来区别网络上的计算机。
为什么有了MAC地址还需要IP地址
如果我们只使用 MAC 地址进行寻址的话，我们需要路由器记住每个 MAC 地址属于哪一个子网，不然每一次路由器收到数据包时都要满世界寻找目的 MAC 地址。而我们知道 MAC 地址的长度为 48 位，也就是说最多总共有 2 的 48 次方个 MAC 地址，这就意味着每个路由器需要 256 T 的内存，这显然是不现实的。
和 MAC 地址不同，IP 地址是和地域相关的，在一个子网中的设备，我们给其分配的 IP 地址前缀都是一样的，这样路由器就能根据 IP 地址的前缀知道这个设备属于哪个子网，剩下的寻址就交给子网内部实现，从而大大减少了路由器所需要的内存。
为什么有了IP地址还需要MAC地址
只有当设备连入网络时，才能根据他进入了哪个子网来为其分配 IP 地址，在设备还没有 IP 地址的时候或者在分配 IP 地址的过程中，我们需要 MAC 地址来区分不同的设备。
私有地址和公网地址之间进行转换：同一个局域网内的两个私网地址，经过转换之后看到的一样么
当采用静态或者动态转换时，由于一个私网 IP 地址对应一个公网地址，因此经过转换之后的公网 IP 地址是不同的；而采用端口复用方式的话，在一个子网中的所有地址都采用一个公网地址，但是使用的端口是不同的。
以太网中的CSMA/CD协议
CSMA/CD 为载波侦听多路访问/冲突检测，是像以太网这种广播网络采用的一种机制，我们知道在以太网中多台主机在同一个信道中进行数据传输，CSMA/CD 很好的解决了共享信道通信中出现的问题，它的工作原理主要包括两个部分：
载波监听：当使用 CSMA/CD 协议时，总线上的各个节点都在监听信道上是否有信号在传输，如果有的话，表明信道处于忙碌状态，继续保持监听，直到信道空闲为止。如果发现信道是空闲的，就立即发送数据。
冲突检测：当两个或两个以上节点同时监听到信道空闲，便开始发送数据，此时就会发生碰撞（数据的传输延迟也可能引发碰撞）。当两个帧发生冲突时，数据帧就会破坏而失去了继续传输的意义。在数据的发送过程中，以太网是一直在监听信道的，当检测到当前信道冲突，就立即停止这次传输，避免造成网络资源浪费，同时向信道发送一个「冲突」信号，确保其它节点也发现该冲突。之后采用一种二进制退避策略让待发送数据的节点随机退避一段时间之后重新。
先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟。
