链路层用于在相邻节点之间传输数据帧。
链路层的特点：网络层的分组被封装成链路层的帧；实现设备间帧的传输；各链路(网络)可能采用不同的链路层协议，因此TCP/IP对此层及物理层未做定义。
5.1 链路层概述和服务
节点：主机或路由器。
链路：连接相邻节点的通信信道。
链路层传输过程：发送节点链路层将网络层分组封装成帧，通过物理层发送到链路上；接收节点链路层从物理层接收该帧，并提取出数据报交给网络层。
链路层信道类型分广播链路和点对点链路。
广播链路：多个设备连接到共享通信信道，特点是需要采用媒体访问控制协议，避免信息碰撞(冲突)，如总线网，环形网，无线网等。
点对点链路：两个节点通过一条专用链路直连，特点是访问控制简单，功能包括封装成帧，差错检测和流量控制等，如两台路由器之间的通信链路。
链路层的协议：定义了帧的格式，以及本层服务。不同底层网络的链路层协议不一样，如以太网，802.11无线LAN，令牌环，PPP等。
链路层的服务：基本服务为将帧从一个节点通过一条链路传送到下一个节点。可能服务有封装成帧，把网络层分组封装成帧，再交给物理层传输；多路访问控制，如媒体访问控制MAC协议，用于广播链路的冲突避免；可靠交付，保证节点间无差错的帧的传输，高差错率的链路如无线链路，链路层纠错检错，由硬件实现，低差错率的链路如光纤、同轴电缆、双绞线链路，链路层不提供可靠交付服务；流量控制，控制发送节点的发送帧的速率，使得接收节点来得及处理，流量控制在相邻节点间进行。
网卡：网络接口卡NIC(Network Interface Card)、网络适配器，是链路层的实现，使设备与网络连接，并正常通信。
网卡的功能：实现物理层和链路层功能，如帧的封装与解封；帧的检错与纠错；媒体访问控制(链路层)；编码与解码如曼彻斯特编码与解码(物理层)。
帧的封装与解封装：发送节点将从网络层收到的分组封装成帧，交给物理层传递；接收节点从物理层收到帧，解封装取出数据部分，交给网络层。
媒体访问控制：用于广播链路，如SCMA/CD协议。
帧的检错与纠错：发送网卡给帧添加校验字段，接收网卡检测。
5.2 差错检测和纠错技术
发送节点给帧添加错误检测与纠正信息$EDC$，接收节点根据$EDC$对帧进行检错或纠错。
接收节点收到帧的比特序列$D’$和$EDC’$，根据二者判断$D’$是否和上一节点发送的$D$相同(传输是否正确)，若正确则解封取出数据报，交给网络层；若出错则进行差错处理。
可能会出现差错漏检，技术越好，漏检越少，但越复杂，开销越大，三种差错检测技术为：奇偶校验法，最基本的方法；校验和法，常用于运输层、网络层；循环冗余检测法，常用于链路层。
1、奇偶校验法
单比特的奇偶校验法：发送方节点在数据信息$D(d位)$后面附加一位奇偶校验位，使$d+1$位中1的个数是奇数(奇校验)或偶数(偶校验)，再将$d+1$位一起发送；接收方节点检测到信息$(d+1位)$的1的个数，奇校验时若发现偶数个1，说明至少有一个比特且是奇数个比特出错，偶校验相反。
该方法可检测奇数个比特的错误(包括校验位出错)，但不能检测偶数个比特的错误，若比特差错集中发生，漏检率达到50%，但该方法简单，若链路出错概率很小，可满足检错要求。
二维奇偶校验法(垂直水平奇偶校验)：发送方将数据分组($i$行，$j$列)，对每行和每列分别进行奇偶校验，将$i+j+1$个校验位与$i\times j$个数据一起发送。
该方法可检测并纠正单个比特差错(包括校验位)，可检测但不能纠正两个比特的差错。
前向纠错FEC(forward error correction)：具有检错和纠错功能的方法，可用于实时数据传输和长时延传输(如卫星通信)，减少发送方重传次数。
2、校验和法
校验和法应用在TCP/UDP协议(对整个分组还包括网络层首部字段计算校验和)和IP协议(对IP首部计算校验和)中。
发送方将数据(校验和字段置0)分成若干16位的块，将所有16位的数求和(高位进位加到低位)，求反，结果放入检查和字段，发送分组；接收方对收到的要校验的信息(包括校验和)求和，若全1则数据无错，否则数据出错。
该方法特点：开销较小，所用位数较少，如TCP/UDP只用16位比特；检错能力弱，但较简单，快速；用于网络层、运输层，一般用软件实现。链路层检错由网卡硬件实现，采用检测能力更强、更复杂的CRC方法。
3、循环冗余检测法CRC
循环冗余检测CRC(Cyclic Redundancy Check)把比特串看作多项式，双方约定好一个$r+1$位的除数$G$；发送方发送数据为$D$，在其后加一个$r$位的冗余码$R$，使得$DR$能被$G$整除，发送$DR$；接收方接收到$D’R’$，如果$D’R’$能被$G$整除，则无错，否则出错。关键算法是求冗余码R。
这里的运算为模2运算，位的加减法不进位不借位，等同于异或。
若$DR$能被$G$整除，则需要满足$DR=D\times2^r\oplus R=n\times G$，等式两边都用$R$异或，得到$D\times2^r=n\times G\oplus R=n\times G+R$，即$D\times2^r$除以$G$所得的余数，即为冗余码$R$。将数据D后面添加$r$个0，除以给定的生成多项式$G(r+1位)$，所得余数即为冗余码$R(r位)$。
国际标准定义了8、12、16和32位的生成多项式$G$，8位的用于ATM信元检测，32位的用于链路层的IEEE协议。CRC的特点是检错能力强，能检测少于$r+1$比特的差错和任何奇数个比特的差错。
5.3 多路访问协议
有两种链路：点对点链路，访问控制简单，可采用点到点协议PPP；广播链路，多个节点共享一个广播信道，如总线网、环形网、无线网，需要进行多路访问控制。
多路访问协议的目的是在广播链路中解决信息冲突的问题。冲突(collide)指多个节点在共享链路传输信息，发送信息的叠加而导致信息无法使用。
设广播信道的速率为$R$ $b/s$，理想的多路访问协议中，只有一个节点发送数据时，该节点的吞吐量可为$R$ $b/s$，有$N$个节点发送数据时，每个节点吞吐量为$R/N$ $b/s$，协议是分散的，不需要主节点的控制，协议是简单的，实现方便且开销小。
多路访问协议的类型
信道划分协议：信道划分成不同的时隙、频段或编码方式，分配给不同的节点。
随机访问协议：以信道全部速率发送，允许冲突，但能从冲突中恢复。
轮流协议：节点轮流访问信道，发送节点越多，轮流间隔越长。
5.3.1 信道划分协议
主要类型：TDM、FDM、CDMA。
设广播信道速率为$R$ $b/s$，支持$N$个节点。
1、时分多路复用(TDM)
将信道传输时间划分为时间帧，每个帧再划分为$N$个时隙(一个时隙能发送一个分组)，依次分配给$N$个不同节点。每个节点在按序分配的时隙中传输分组。
TDM的特点：无冲突、公平，节点专用速率$R/N$ $b/s$；节点速率有限，效率不高，就算信道中只有一个活跃节点也是$R/N$ $b/s$。
2、频分多路复用(FDM)
将信道划分为$N$个较小频段，带宽分别为$R/N$，分配给$N$个节点。
FDM特点与TDM类似。
3、码分多址CDMA(code division multiple access)
基本思想：每个发送节点使用不同的编码方式；多个节点的信息可以叠加传输，接收节点可正确过滤信息。
最初用于军事通信(抗干扰能力强)，目前用于无线蜂窝移动通信等。
5.3.2 随机访问协议
基本思想：每个节点以共享信道最大速率$R$ $b/s$发送，发生冲突时，各冲突节点分别等待一个随机时间再重发，直到发送成功。
典型的随机访问协议：ALOHA协议，CSMA协议，CSMA/CD协议，ALOHA有两种形式，时隙ALOHA和纯ALOHA。
1、时隙ALOHA
设帧长L比特，将信道划分为若干等长的时隙(一个时隙=传输一帧的时间$L/R$)；节点同步，各节点只在时隙开始的时间传输帧；若某时隙开始点有多个节点传输，所有节点都能检测到此冲突。
时隙ALOHA的过程：当节点要发送帧，需等到下一个新时隙的开始。发送时若无冲突则成功传送帧，若发现冲突，以概率$p$在后续时隙重传该帧，直到成功。
特点：每个节点以信道最大速率R传输帧；每个节点独立检测冲突，以及决定何时重传；当活跃节点较多时，通信效率低。
冲突时隙C因出现冲突被浪费，空闲时隙E因没有帧传输被浪费。令在信道传输中，成功时隙所占的份额为效率，则最差情况下，没有任何访问控制，每个节点都在冲突之后立即重传，一直冲突，效率为零。
时隙ALOHA的效率：假设有N个节点，每个节点在每个时隙以概率$p$传输一帧，则一个节点在一个时隙成功传送一个帧的概率=$p(1-p)^{N-1}$，N个节点中，任意节点成功传送的概率=$Np(1-p)^{N-1}$，当$N$趋于无穷时，此概率趋向于最大值$1/e=0.37$，只有37%的时隙未被浪费，信道有效传输速率是$0.37R$ $b/s$，类似可算出37%为空闲时隙，26%为冲突时隙。
2、纯ALOHA
ALOHA的最初形式，是一个非时隙、异步的随机接入协议。
工作过程：节点有帧要发，就立即传输；如果发现与其他帧冲突，在该帧传完之后，以概率$p$立即重传该帧，以概率$1-p$等待一个帧的传输时间，再以概率$p$传输该帧，直到成功为止。
纯ALOHA的效率
假设在任意时间，某个节点传输帧的概率是$p$，传输一个帧的时间是1，节点$i$在时间$t_0$开始传输帧，如图。其冲突发送范围是$[t_0-1,t_0+1]$。
因此一个节点成功传输一帧的条件为：该节点以概率$p$传输此帧，且$[t_0-1,t_0]$单位时间长度中没有其他节点开始传输，概率是$(1-p)^{N-1}$，且$[t_0,t_o+1]$单位时间长度中没有其他节点开始传输，概率是$(1-p)^{N-1}$。
指定节点成功传输一次的概率=$p(1-p)^{2(N-1)}$，$N$个节点成功传输一次的概率=$Np(1-p)^{2(N-1)}$。$N$取极限，得到概率=$1/(2e)=0.185$，效率只有时隙ALOHA的一半。
ALOHA的特点：各节点的活动是相互独立的；传输开始时，不知道信道是否有其他节点正在传输(缺点)；传输过程中，如检测到冲突，不会停止本帧传输(缺点)。
3、改进
可增加两个规则以改进：载波侦听CS(Carrier Sense)，节点在发送之前，先侦听信道，若信道空，立即传输帧，若信道忙，表示其它节点正在发送帧，可连续侦听，一空闲就发送或随机等待一段时间，然后再侦听信道。冲突检测CD(Collision Detection)，节点边发送帧边侦听，若发现冲突，立即停止帧的传输，随机等待一段时间，再侦听信道。
相应的协议有载波侦听多路访问CSMA(Carrier Sense Multiple Access)；带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD(CSMA with Collision Detection)，用于有线广播局域网；带冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)，用于无线局域网。
CSMA只增加载波侦听，基本原理是在传输帧前先侦听，可减少冲突，但由于传播时延，仍可能冲突。因为节点在帧的传输过程中，没有冲突检测，即使发生了冲突也不知道，节点仍继续传输整个帧，但该帧已被破坏，浪费信道传输资源。
CSMA(CSMA/CD)增加了载波侦听和冲突检测，基本原理：传输前先侦听，传输时检测冲突，一旦检测到冲突就立即停止帧传输，后退一个随机时间再侦听，可缩短无效传输时间，提高信道的利用率。传统的以太网采用。
CSMA/CD的效率=$\frac{1}{1+5t{prop}/t{trans}}$，$t{prop}$指信号在任意两个设备网卡间的最大传播时间；$t{trans}$指帧的平均传输时间；当$t{prop}$接近0时，效率接近1，即如果传播时延是0，冲突节点立即直到冲突，并终止传输而不会浪费信道；当$t{trans}$很大时，效率接近1，即若一个帧的传输占用信道很长时间，代表信道一直在有效的工作。
5.3.3 轮流协议
理想的多路访问只有一个活动节点时，节点吞吐量$R$，有$N$个活动节点时，每个节点吞吐量$R/N$，信道划分协议满足第二个，不满足第一个；随机接入协议满足第一个，不满足第二个。
轮流协议同时满足两个特性，包括轮询协议和令牌传递协议。
1、轮询协议(polling protocol)
有一个主节点，轮询每个节点，告诉该节点能够传输的最大帧数，等该节点传送完毕，主节点再询问下一节点。
特点：无冲突和空时隙，效率高；有轮询时延，节点不能立即传输帧，要等待轮询；如果主节点失效，整个信道都不能用。
2、令牌传递协议
无主节点，设置一个令牌T(token 小的专用帧)，令牌循环传递，节点拿到令牌才能发送帧，传完后将令牌发到下一节点。
特点：协议是分散的，效率高；一个节点的失效会使整个信道崩溃；一个节点忘记释放令牌，必须恢复令牌。
5.3.4 局域网(LAN)
局域网的特点是范围小，只有几公里，可使用多路访问该控制如CSMA，传输速率高，为一个单位拥有，只有物理层和链路层。
局域网的拓扑结构有星形、环形、总线、树形，典型应用是单位用户主机先组成LAN，LAN通过路由器接入因特网。
局域网的协议有IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 电气和电子工程师协会) 802协议系列，如IEEE 802.3以太网，IEEE 802.4令牌总线网，IEEE 802.5令牌环形网，IEEE 802.11无线局域网。
5.4 链路层地址
设备的每个网络连接都有链路层地址(计算机和路由器的网络连接还会有网络层地址)。
链路层地址也称为MAC地址、物理地址、硬件地址等。不同底层网络技术，MAC地址长度不一样，大多数网络(如以太网和802.11无线网)为48个比特。
5.4.1 MAC地址
MAC地址是节点网卡所带的地址(生产时固化在网卡的ROM里)，不会因为设备移动而变化；是全局地址，世界范围唯一；长度通常为6字节，用16进制表示。
MAC地址的分配：IEEE机构负责分配前三个字节，后三个字节由设备厂商分配；MAC地址是平面结构，节点移动到任何网络，都使用相同的MAC地址；IP地址是层次结构，节点在不同网络使用不同的IP地址。
MAC地址识别：在广播信道中，发送网卡将目的地址封装到帧中并发送，网络中所有其他网卡都会收到这个帧；接收网卡检查收到帧的目的地址与自己MAC地址是否匹配，若匹配则取出数据并上交给网络层，否则丢弃该帧。
广播帧是发送给本地网络所有节点的帧，是特殊帧，其目的地址为物理广播地址。以太网的物理广播地址是48个1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF。
至此学习了三种不同地址：应用层的域名、网络层的IP地址和链路层的MAC地址。在底层传输时，使用MAC地址。应用层的DNS将主机域名转换为IP地址，网络层的地址解析协议ARP和逆向地址解析协议RARP实现IP地址到MAC地址的转换和逆转。
5.5 以太网Ethernet
1、以太网概述
有线LAN有以太网、令牌环、FDDI和ATM等，其中以以太网最流行(采用IEEE 802.3协议)。
以太网的拓扑结构有总线和星形。
前同步码：前7字节是10101010，最后一字节是10101011；使接收方和发送方的时钟同步，因为网卡速率是自适应的；最后一个字节，告知后续是帧。(前同步码不属于帧)
目的地址：接收方的MAC地址。接收方只接受目的地址与自己MAC地址相同的帧或目的地址为广播地址的帧，并将数据内容上交给网络层，其他情况丢弃该帧。
源地址：发送方网卡的MAC地址。
类型字段：以太网帧可为不同网络层协议(IP，ARP等)传送数据，使用该字段区分。
数据字段：存放网络层分组，若分组小于46字节，必须填充至46字节，超过1500必须分片。
循环冗余检测字段：检测帧的比特差错。
2、基带传输和曼彻斯特编码
基带传输指直接传输未调制的数字信号，如以太网传输；宽带传输指将信号调制后再传输，通常可远距离、多路传输。
基带信号的编码方式(由网卡的物理层完成)：不归零编码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码。
不归零编码：即采用两种电平表示数字信号，问题是若出现一连串1或0，接收方无法确定每位的开始和结束，即收方与发放不能同步，一般不采用。
曼彻斯特编码：每位信号的中间都有跳变，可用于同步，表示数据为高跳到低—1，低跳到高—0。
差分曼彻斯特编码：每位信号的中间都有跳变，只用作同步，不表示数据，数据由每位开始处是否有跳变来表示，无跳变—1，有跳变—0。有较好的抗干扰性能，但复杂。
3、以太网的服务
以太网向网络层提供：无连接服务：无握手建立连接过程，发送方网卡封装帧，发送到点到点链路或广播链路；不可靠服务：接收方网卡通过CRC检错，正确，不返回确认，错误，丢弃该帧也不返回确认。丢帧可能导致封装的上层数据流有间隙，链路层不负责确认与重传，需要时由高层协议(如传输层TCP)确认与重传。
以太网的的多路访问技术采用CSMA/CD，可侦听和冲突检测，由节点网卡通过测量电压等级来进行，各网卡独立运行CSMA/CD协议，不需和其他网卡进行协调。
CSMA/CD的工作流程：
(1)封装成帧：发送方网卡将网络层分组封装成帧，放到缓冲区等待输出。
(2)侦听信道：若信道空闲且网卡没有信号进入，则开始传输帧；若信道忙，或继续侦听，空闲立即发送或隔随机时间再侦听。
(3)传输无冲突时：帧传输期间，网卡未检测到其他信号进入，该帧传输成功。
(4)传输有冲突时：帧传输期间，网卡检测到其他信号，就立即停止传输，等待一个随机时间，跳到(2)再侦听。
以太网中，为了提高效率的同时尽量避免重复冲突，冲突后的等待时间由二进制指数后退算法决定。
拥塞信号的作用是强化冲突信号，使其他的适配器都知道发生了冲突。
二进制指数后退算法：基本退让时间为512比特的传输时间，第$n$次冲突后的退让时间=$K\times$基本退让时间，$k是{0\sim2^{m}-1}$之间的一个随机整数，$m=\min{n,10}$。
4、常用以太网技术
(1)10Base2和10Base5：转发器扩展距离。转发器(repeater)：中继器，物理层设备，将信号放大后转发。
(2)10BaseT和100BaseT：技术相似，速率不同，100BaseT也称为快速以太网或百兆以太网。特点：星形拓扑；一个中心设备：集线器(hub，工作在物理层)，现在使用交换机(switch，工作在链路层)；通过电缆中的两对双绞线连接(发送/接收)；每段双绞线最长100m。
(3)吉比特以太网(Gigabit Ethernet)：1000Mb/s，标准为IEEE 802.3z协议；标准的以太网帧格式，与10
BaseT和100BaseT兼容；允许点对点链路和广播链路；星形拓扑，其中心是一个集线器或交换机；可作为主干网，互联多个以太网；使用光纤或5类UTP(非屏蔽双绞线电缆)。
(4)10Gb/s以太网：IEEE 802.3协议，将以太网技术扩展到点对点的广域网链路。
5.6 集线器和交换机
局域网设备：集线器：物理层设备；交换机：又称为网桥，链路层设备。作用是连接不同网段，构成一个更大的局域网。
1、集线器Hub
物理层设备：针对比特而不是帧，从一个端口收到比特，向所有其他接口转发出去，无地址概念；无CSMA/CD功能：CSMA/CD属于链路层，但计算机需要运行CSMA/CD；提供网络管理功能：检测故障，收集信息并报告给相应管理设备。
使用集线器的网络，物理上是星型，逻辑上是总线型；网络构成一个大的共享冲突域，会出现信号冲突，造成发送失败，所以网络需要CSMA/CD(在计算机上运行)；多个集线器连成多级结构，仍为一个LAN，由多个网段组成；属于同一个冲突域：某节点发的信息，会广播到整个LAN，容易冲突。
缺点是冲突域加大：通过集线器连网后，冲突的可能性增大。不同技术、不同速率的网段，不能用集线器互连。21世纪初被交换机取代。
2、交换机Switch
链路层设备：对以太网帧进行操作，每个接口有MAC地址；根据目的MAC地址转发帧；全双工方式；自学习功能；即插即用(plug-and-play)：不需人工配置参数，集线器也是，但路由器不是。
使用交换机的网络，连接不同网段，构成一个更大的局域网；每个网段是一个独立的冲突域；不同技术、不同速率的以太网可通过交换机互联；对互联的大小没有限制，理论上可扩展到全球。
交换机的功能：转发(forward)：交换机将帧传送到某个或某些输出接口的缓存，等待输出；过滤(filter)：交换机将某些帧丢弃，保证某网段内部的帧不会转发到其他无关网段，通过交换机表实现。
交换机表：包含局域网上的部分节点的表项；表项结构：目的节点MAC地址、转发接口、表项创建时间。
转发和过滤：交换机从接口$x$收到一个帧，根据其目的MAC地址查表，若找到转发接口为$y$的对应表项：若$x=y$，丢弃此帧(过滤)，保证网段内部的帧不被转发到其他网段，每个网段是独立的冲突域；若$x\neq y$，将该帧放到接口$y$的输出缓冲(转发)；若未找到对应表项：向$x$以外的所有接口转发(广播)，并进入自学习过程。
自学习：交换机表是自动地、动态地建立的，无需管理员或协议的干预(路由器则需要)，通过逆向扩散式路径学习法完善交换机表。
逆向扩散式路径学习法：(1)交换机表初始为空。(2)收到一个目的地址不在表中的帧，向其他所有接口转发；在表中记录一条表项：该帧的源MAC地址、进入的接口、当前时间。(3)如果一段时间(aging time 老化时间)没有收到以某表项地址为源地址的帧，删除此表项。
3、交换机与主机连接
主机和交换机通过双绞线电缆直接连接，构成星型网络。
通信方式为全双工：交换机在同一接口上可以同时发送和接收帧；多对主机同时通信不冲突；交换机不需要CSMA/CD(但网段中可能需要)；总吞吐量为多对通信之和。
4、交换机的交换方式
存储转发方式(store-and-forward switching)：先接收整个帧，保存到缓冲区，再转发，类似于路由器。
直通交换方式(cut-though switching)：帧在转发之前不存储，边接收边转发，只要接收到帧头中的目的地址，就立即查表转发，不需保存整个帧。
存储转发和直通交换比较：出链路的输出缓冲区有其他帧排队时，存储转发和直通交换之间没有区别；出链路的输出缓冲区无其他帧排队时，直通交换不存储，直接转发，时延很小，存储转发时延为$L/R$($L$是帧的长度，$R$是入链路的传输速率)。
直通交换机可以减少分组的端到端时延，若以太网速率为10Mb/s，则最大存储转发时延大约是1.2ms；若以太网速率为100Mb/s，则最大存储转发时延大约是0.12ms；直通交换机的时延小(当出链路轻载时)，但价格贵，直通还是存储转发，要根据不同情况来选择。
交换机和路由器的比较
路由器：第三层的分组交换机，使用网络层地址转发分组；交换机：第二层的分组交换机，使用MAC地址转发帧。
交换机的优缺点：即插即用，不需管理员和协议干预(路由器则要配置IP地址，路由协议等)；较高的分组过滤和转发速率；拓扑结构限制为一棵生成树，防止广播帧循环；存在广播风暴，若某台主机故障，不停地发送广播帧，交换机将转发所有这些帧，导致整个以太网的崩溃。
路由器的优缺点：丰富的拓扑结构，分组的生存时间限制分组循环；针对第二层的广播风暴提供防火墙保护，LAN的广播不能跨越路由器；非即插即用，需配置IP地址、路由协议等；分组的处理时间比交换机长。
小网络(几百台主机)：采用交换机构成LAN。交换机连接不同网段，仍属于同一个LAN。
大网络(几千台主机)：先用交换机构成多个LAN，再用路由器互联不同LAN。
5.7 PPP：点对点协议
5.7.1 PPP概述
点对点链路：一个发送方、一个接收方、一段链路，无冲突，无需媒体访问控制。
点对点链路的协议(属于链路层协议)：点对点协议PPP和高级数据链路控制协议HDLC。
PPP适用的链路：ADSL的拨号电话线、SONET/SDH链路(光纤同步数字网)、X .25连接(公共分组交换网)或者ISDN电路(综合业务数字网)。
PPP的特性：成帧，发送方将网络层分组封装成帧再传送；透明性，任何数据都可正确传送；支持多种网络层协议，通过协议字段区分；差错检测；连接的活性，能够检测链路级故障，并向网络层报告。能运行于多种链路，串行链路：在一个信道上一次传输比特，并行链路：在多个并行信道上同时传输多个比特，快，但传输距离短，同步链路：时钟信号与数据比特一起传输，也可用于异步的、高速的、低速的、电的或光的链路等 ；实现简单。
不要求PPP实现的功能：无差错纠正，PPP能够检测比特差错，但不纠正；无流量控制，不需PPP发送方降低传输速度，由较高层协议负责降低递交给PPP的分组的速率；无顺序交付，不要求按发送方发送的顺序将数据交付给接收方(指封装的网络层数据)；不支持多点链路。差错纠正、流量控制、按顺序交付等都由较高层实现。
PPP组成：在两个通信的链路级对等体之间，交换含有网络层数据的PPP帧。成帧：在PPP帧中封装数据、识别帧的开始和结束、检测帧中差错；链路控制协议：初始化、维护和拆除PPP链路；网络控制协议：一个协议族，分别对应一个上层网络协议。
传输透明性：如果在其它字段也出现01111110，接收方可能会误认为是标志字段。用字节填充技术实现传输的透明性。
定义一个转义字节01111101 (7D) ，发送方：在标志字段以外的其他字段中：若出现01111110 (7E)：用7D 5E替换，若出现01111101 (7D)：用7D 5D替换；接收方：遇到无转义字节的 01111110 (7E) ，先后表示帧的开始与结束，帧内遇到7D5E或7D5D就分别还原成7E或7D。
5.7.2 PPP链路控制协议
用来完成PPP链路的初始化、维护、差错报告和关闭，PPP协议在交换数据前，收发双方要进行链路配置。
PPP通信过程：建立连接：建立物理连接$\rightarrow$建立链路连接$\rightarrow$建立网络连接；数据传输；释放连接：释放网络连接$\rightarrow$释放链路连接$\rightarrow$释放物理连接。
5.8 链路虚拟化：网络作为链路层
链路：网络中连接主机的物理线路。
多种连接形式：共享的、点到点的、通过单个集线器或交换机、通过多个集线器或交换机连接。
都可以抽象看作是链路层的信道(即虚拟化)。
电话网：一个逻辑独立、全球性的电信网络，如，家庭用户通过电话网的拨号连接到因特网：连接两台主机的链路实际上是电话网；从因特网链路层角度，电话网可以被看成是一根简单的线路，即将电话网虚拟化，看成是为两台主机提供链路层连接的链路层技术。
1、ATM异步传输方式
是一种能够传输实时音频、视频，以及文本、电子邮件、图像文件的网络技术，主要用于电话和IP网络，将ATM虚拟化，看成是为IP设备提供互联服务的链路层技术。
ATM主要特性：多种服务模型，恒定比特率CBR 、可用比特率ABR 、可变比特率 VBR等；采用虚电路分组交换，虚通道；固定长度分组(短信元)，53 字节，有利于宽带高速交换。
(1)ATM适配层AAL：适配较高层(IP或纯ATM应用程序)到ATM层；仅在ATM网络的边缘(端系统)出现，如数据分段/重装，类似因特网运输层；向高层提供各种不同的服务，AAL1：恒定比特率CBR服务, 如电路仿真、AAL2：可变比特率VBR服务, 如MPEG视频、AAL5：数据报服务，如IP数据报。
(2)ATM层：类似网络层，定义信元结构为53个字节，选路、创建虚电路。
(3)物理层：处理物理媒体上的电压、比特定时和成帧；信元流和比特流的转换；在物理媒体上正确传输和接收比特流；使用光纤传输时，完成从电光/光电信号转换。
ATM上传IP数据报过程：入口路由器：根据数据报目的地址查选路表，确定出口路由器IP地址，并通过ARP得到ATM地址，将数据报传到AAL5封装，传到ATM层；ATM网络：沿着VC将信元移动到目的地；出口路由器：AAL5重装信元为初始的数据报，如果CRC无错，数据报传递给IP。
2、多协议标签交换(MPLS)
初始目标：通过使用固定长度的标签(代替IP地址)进行转发，以加速IP转发，借用虚电路(VC)方法的思想，用标签标识虚电路，但IP数据报仍保持IP地址。
分组结构：在链路层首部和IP首部之间增加MPLS首部。
MPLS使能路由器：又称为标签交换路由器，只根据标签值向出接口转发分组(不检查IP地址)；MPLS转发表不同于IP转发表；需要信令协议来建立转发；与IP路由器合作；MPLS强化的帧只能在两个使能路由器之间传递。
5.9 小结
数据链路层服务：差错检测, 纠正；共享广播信道: 多路访问；链路层编址。
各种链路层技术的实例和实现：以太网；交换机；PPP；网络虚拟化为链路层，ATM，MPLS。