前情提要

在上一章我們詳細介紹了實體層，以及實體層會遇到什麼問題用什麼技術解決。這次介紹資料鏈結層，以及會遇到什麼問題用什麼技術解決

資料鏈結層：

資料聯結層(Data link layer)這一層是比較特殊的一個階層，因為底下是實體的定義，而上層則是軟體的定義。因此又分兩個子層。偏向硬體的子層稱為MAC，偏向軟體的子層稱為LLC，而這些子層業務分別是產生表頭2和表尾2

所以資料鏈結層可以分為兩個層，其細分結果如下：
OSI 第三層 -> OSI 第二層 的 LLC 層 -> OSI 第二層的 MAC層 -> OSI 第一層

MAC：

該層主要提供兩個業務

  1. 尋址機制
  2. 通道訪問控制機制

Ex：
假設今天你和你哥都用同一台中華電信ADSL，你們的IP就是一樣的，那麼今天老媽在外面要傳送一封信給你，可是你們IP位置一樣，那ADSL是怎麼知道這個封包要傳給你還是你哥，其實很簡單，就是這個封包到你家的ADSL，之後再根據MACAddress去判斷是要給誰(尋址機制要找到的對象)。
而因為你和你哥都用同一台ADSL，也就說明外面資料連到ADSL的線只有一條，那麼就必須檢查這個通道是否被正被其他人占用(通道訪問控制機制)，如果該通道正確就傳遞出去(實體層)。

尋址機制：

由上述例子可以知道要找的地址叫做MACAddress，而MACAddress是什麼

MACAddress：

每一台具有連線功能裝置(藍芽、WiFi)的門牌號，每張網卡在出貨時，都自帶全球唯一的MACAddress(門牌號)，意味著理論上整個地球不可能會有重複的MAC地址，其MAC地址透過嚴格控管，才具有該效果，以下範例MAC地址的格式：

38-BA-F8-12-19-AC

這是我筆電藍芽的MAC地址，其中

  • 38-BA-F8這是由IEEE控管，必須花錢申請，才能獲得得編號(前24 bit)，而這個編號是廠商 Intel跟IEEE申請的地址

  • 12-19-AC這是由生產網卡的廠商自行產生，該廠商必須嚴格紀錄哪些位址被使用了，絕對不能生產出MAC地址重複的地址


在知道MACAddress的概念後，資料鏈結層的業務會產生表頭2，而表頭2的資訊就是上面的圖片格式。

雖說不能重複，但其實還是能透過人工修改來重複，也有可能廠商生產紀律很鬆散，但根據訊模型可知只要相同MAC網卡裝置，不處在同一個路由器(OSI模型定義的 第三層 網路層)就不會有問題發生。

WiFi探針：

因為MACAddress只用於網卡傳輸，並不屬於隱私裝置，所以有WiFi探針這產品，這是一種能夠蒐集範圍內開啟WiFi功能的裝置，其設備訊息的裝置，其中就有MACAddress和強度，主要用於搜尋範圍內可以連的WiFi有什麼以及強度是什麼，以此來提供連線選擇

行為監控：

但是有心人士利用這缺陷，在商場、百貨公司等等設立這些裝置，每隔幾秒搜尋一次，根據強度來判斷用戶的位置(真實位置，經緯度的那種)，以此來判斷該用戶是不是常客、最喜歡逛哪一區、在哪一區停留最久等等。以此資料為參考，判斷這個MACAddress的用戶，最喜歡哪些商品，逛的是不是高檔區，財力應該很豐富等等，以此進行廣告行銷、詐騙、場地租金評斷等等都有可能。

廣告投射和詐騙資料：

雖然只能知道MACAddress，不知道這個人的真實信號，但是如果我把這資料整理後販售，APP開發商可以去購買此資料，之後通過APP安裝權限知道你的MACAddress，兩者進行比對，MAC資料告訴我38-BA-F8-12-19-AC經常在高檔內衣區逛，APP資料告訴安裝此APP的用戶是 38-BA-F8-12-19-AC，於是我就可以進行廣告行銷，獲取真實資料，0975-XXX-XXX 黃先生 在某天某地逛高檔內衣區，他很有錢，只在高級內衣區看，之後再把這訊息賣給詐騙集團或是進行廣告投射，詐騙集團就可以謊稱 XXX 請問你是不是在某天某地 購買高檔內衣 之類的詐騙。

人流監控：

當然也可以運用在其他地方，像是這個區域的人都去哪，人數多不多，101煙火是否要進行人流疏導等等之類的，也可以運用特殊地方監控，像是國安地方，某個MACAddress一直在總統府前面徘迴，每天固定時間都來一次，那麼這個人是否有什麼特殊計畫，是要暗殺總統? ，如果在銀行一直徘迴，是要搶劫進行探勘?

定位輔助：

因為開啟WiFi，可以偵測到周圍的WiFi強度，而根據強度可以進行三角定位，就知道你的位置精準到哪，像是UBer，必須依靠非常精準的位置來進行收費，如果位置不精準，收費就不標準。

資安保護：

今天如果要用網路下單，一些金融操作，可以透過MACAddress來加強保障，因為這東西理論上是全球唯一，那麼你常用的電腦應該就只有一台，我就把我MAC地址傳給銀行，每次下單時候銀行都會比對MAC地址，如果不一致可能就是帳密外流，讓別人在異地用其他電腦登入。

由上述介紹，想必你對MACAddress有更多的了解，那麼我再繼續介紹，要怎麼找到這些MACAddress，位址解析協定(ARP)

ARP：

ARP的功能就是通過解析IP地址得到MAC地址，但是對於他的層級區分是很尷尬的存在。

如果使用暴力區分：
不知道MAC為實體層
知道MAC為資料鏈結層
知道IP為網路層

那麼ARP就屬於網路層，但是ARP功能是獲取到MACAddress，所以功能性應該屬於資料鏈結層，顧此處以資料鏈結層為標準。 反正IPv4才用ARP，現在IP也快用完了，IPv6不使用ARP

ARP為了實現IP地址與MAC地址的查詢與轉換，ARP協議引入了ARP緩存表的概念，每台主機或路由器在維護著一個ARP緩存表（ARP table），這個表包含IP地址到MAC地址的映射關係，如下

通常每個Items都會有自己的壽命，默認是10分鐘，就是10分鐘刷新一次的意思

假設今天

主機A的IP地址為192.168.1.1，MAC地址為0A-11-22-33-44-01；
主機B的IP地址為192.168.1.2，MAC地址為0A-11-22-33-44-02；

  1. A根據自己的ARP表查詢是否有匹配B的IP
  2. 如果沒有，A就會發送ARP請求(目標MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF)到該WiFi內的所有主機，其格式如下：
  3. 每個主機都會檢查，這個ARP請求裡面的IP是不是再說我?而B主機發現請求的IP就是在說我，於是B主機就會把自己的MAC地址和IP填寫好成一個新的ARP表
  4. B將填寫好的ARP表，在發送回去給A
  5. 當A拿到新的ARP表，則可以利用上面的資訊進行溝通

ARP攻擊：

因為ARP的缺陷，在接收其他電腦的ARP表時候，不會檢查正確就直接引用。

所以如果今天我創立一個假的ARP表，192.168.1.1 的MAC地址被我竄改，然後把這個ARP表廣播給同WiFi全部主機，大家都會接受，於是當有人要傳給192.168.1.1時候因為表裡面已經存在了，所以那個人就拿到MAC地址，也不用再發廣播問誰是192.168.1.1，之後透過我造假的MAC地址傳送資料，於是就導致192.168.1.1的真實主機拿不到資料，而他的資料全部傳到一個假的MAC地址。

那麼如果我很討厭192.168.1.50，我就先獲取他的正確MAC地址，把所有人的MAC地址都改成IP 50的MAC地址，於是一下子，30幾台電腦的資料都塞爆他，同時30幾台的資料都不會正確接收。

通道訪問控制：

上述講了同一個WiFi內要如何尋找到正確的MAC位址，那麼我們來談，因為同一個WiFi，並且該WiFi是非全雙工的形式，所以通道只有一個，同一時間只能一人使用，那麼我要如何有效、公平的使用，可能有人會回答多工。
確實，多工是其中一種解決方案，但是因為多工實施起來成本高、複雜高，那就沒必要使用多工技術，所以多工只運用在大項目，像是實體層 WiFi要怎麼傳輸，很明顯這關連到整個使用WiFi的人(因為頻譜無法重複利用)，也就是全世界的人，所以才需要多工，反而是都在同一個區域網路內，因為有時候只有你一個人在家，有時候兩個人在家，再少人時候，多工反而更拖累效能，故我們使用Access control策略，而不是多工策略，其中最出名的方案為CSMA系列

今天如果不使用多工，那麼就代表一個人占用共用通道，因為區域網路不是每個時候都必須共用，但也因此，如果你佔用了頻道，別人此時要使用，就會發生”碰撞”，發生碰撞後應該等待占用的人使用完畢再換你使用，就像廁所一樣，並且發生了碰撞會影響到傳送速度，所以使用一些協定來降低碰撞的發生，並且可以適時的利用頻譜通道，像是CSMA/CD、CSMA/CS。

碰撞：

搶廁所就是一種碰撞，當A在廁所，其他人直接打開廁所門發現A在裡面(碰撞)，於是A就必須重新醞釀情緒，就拉長上廁所的時間(碰撞後的影響)，那麼我們知道碰撞的概念了，接下來我們要細分碰撞的Case，這樣我們才能設計出降低碰撞發生的方法。

  1. A先到家並上廁所，後來B到家，打開廁所門發現A在裡面，此時就發生了碰撞
  2. A和B同時到家，A和B同時想上廁所，此時就發生了碰撞

針對第1點，科學家們使用CSMA技術來解決，第2點使用CD技術來解決

載波偵測多重存取(CSMA)：

載波偵測(Carrier Sense，CS)：是指資料傳送之前必須先偵測傳輸通道是否有其他主機在使用，如果無人使用，則立刻傳送資料；如果有人使用，則等候一段時間之後再傳送資料，簡單說就是會先敲廁所門。以此來達到多重存取(Multiple Access，MA)。

碰撞偵測(CD)：

其實A和B同時發生碰撞，是無法避免的，我們只能設計出發生這問題時該如何善後，以此降低第二次碰撞的發生，當發生A和B同時碰撞時候，就會發出一個壅塞訊號(Jam Signal)，通知所有電腦現在發生碰撞拉，請大家暫緩傳送一下，並且把A和B的請求蓋掉，告訴A和B：你們剛剛發的請求，我當作沒聽到，你們再等待N秒後在進行傳送一次，此時就要有個演算法(Binary Exponential Backoff Algorithm)，來告訴A你要等1秒，B你等0.5秒，這樣就不會發生碰撞了。使用該技術最出名的：乙太網路系統，也就是有線網路。

碰撞避免(CA)：

對於具有實體介質(網路線)的網路可以偵測訊號碰撞，但是沒有實體介質的無線網路要偵測訊號碰撞極為困難，因此科學家發明了「碰撞避免(CA：Collision Avoidance)」來取代「碰撞偵測(CD：Collision Detection)」，此種方案採用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決碰撞問題。可以滿足那些不易準確偵測是否有碰撞發生的需求。

假設A和B要同時傳送封包

  1. A產生隨機的延遲時間為DT_A(假設0.1秒)，B也產生隨機的延遲時間為DT_B(假設0.2秒)
  2. A在DT_A時間內發現頻道忙碌的話，就會停止倒數計時DT_A，直到確定通道是空的才會繼續計時
  3. 當DT_A時間到了，A會發出RTS訊號，此時通道被RTS塞滿，DT_B就會停止倒數
  4. 當WiFi AP接收到RTS訊號，就會回應CTS訊號回去，此時通道又被CTS塞滿，DT_B又會停止倒數
  5. 當A收到CTS訊號，就會把資料傳送出去，通道又被A佔據，DT_B又會停止倒數
  6. 當DT_B時間到了，B就會延續上面的步驟。
    上述仍會發生A和B因為同時時間到了，導致通道內會有多個RTS或CTS等等資料進行碰撞，但是這是請求封包的碰撞，這個請求往往都比資料小上好多倍，碰撞也不會讓資料本體造成干擾，所以讓傳送變得更可靠。

上述主要講說，LLC是偏向軟體方面，讓較高層次的通訊軟體使用，使得那些較高層次的通訊軟體只要透過 LLC 層就可以存取網路，而不用去考慮所連接的網路型態。也就是說你可以把它當作工具人，這個工具人負責叫LLC負責幫你存取網路。

LLC的多工

LLC 提供若干個『邏輯鏈路』(Logical Link)，讓多個應用程式同時使用。假設今天A工作站有很多隻程式，而每個程式都跟不同的工作站通訊：
A 的 P1 -> B 的 P4
A 的 P2 -> C 的 P5
A 的 P3 -> D 的 P6
由上面情況可知，A的工作站一次開啟多個程式，但是每個程式都要占用網卡的通道，來傳達資料，那麼LLC是必要提供所謂的多工服務。

想想今天某個人，一次寫5封要送信給A，但是A在美國，那麼作為郵局的我們，勢必要派出5個郵差去接洽，讓每一封信都順利的到國際信封中心進行轉交給美國的A，
而國際信封中心只有一間，而且它們入口很窄，一次只能讓一個人送，並且不是只有台灣有在用，世界上上百個國家都要送到這個國際中心，於是國際信封中心訂了個規則，一個人有10秒的時間，10秒到了就從國際中心的出口出來，再換下一個人(同理，台灣 -> 國際信封中心 這個流程也是相同於 國際信封中心 -> 美國)。

5個封信就是5個程式，每個程式都會有對應的郵差窗口，就叫做『服務存取點』（Service Access Point, SAP），一個人10秒時間，就是TDMA多工來實作，但是實際情況還是依靠作業系統決定，作業系統就是國際信封中心。

LLC的封包協議：

上述送信遊戲可以知道，LLC的扮演角色是什麼，而信封都有固定的格式，這樣才能知道你誰，要寄到哪邊去，LLC同樣也有固定的格式，LLC-PDU可以當作信封的意思。

  1. 『目的地服務存取點點』（Destination Service Access Point, DSAP）：DSAP是為了能夠辨認出LLC通訊協定間傳送的資料到底是屬於誰的，在DSAP欄位標明對方工作站的服務存取點，也表示銜接到對方通訊應用程式。
  2. 『原始服務存取點點』（Source Service Access Point, SSAP）：傳送端LLC的服務存取點，亦表示連接傳送端本身的應用程式。
  3. 控制欄：告訴對方本 LLC-PDU的意義，是傳送資料(由上層傳送下來)，或是雙方的控制訊息，控制欄主要作為雙方協議溝通使用。
  4. 訊息欄：如果由控制欄位知道該封包做為傳送資料之用，則訊息欄是負責接受上層（或網路層）的資料，再包裝成LLC-PDU。如果控制欄表示本封包是作為連線交談用，則訊息欄是作為交談訊息存放用，對方由訊息欄可知道溝通的內容。

有了上述這些功能後，就可以順利的把MAC表頭2包在封包內送給實體層來實作，但是理想上這些資料是不會產生問題的，但是萬一受到雜訊干擾的話，那資料傳送就失敗了，也因為實體層不需要加入表頭，這一層是最後一層，所以在最後一層這邊，資料鏈結層還會進行一些偵錯處理，把一些偵錯的處理放在最後面，也就是表尾2的內容。

循環冗餘檢查碼(CRC)：

還記得之前在說數位和類比的差別嗎，為什麼1G通話是使用類比，2G就廢棄改用數位嗎，其原因是數位有太多好處，可以進行偵錯、除錯、加密、壓縮等等，而CRC就是用於除錯的。

假設今天我要傳送資料叫做 10001，那們CRC進行加法運算，1+0+0+0+1 = 2，並將2轉成2進制為10，之後把10塞到表尾。

當接收端拿到資料後，會把先讀取表尾，表尾告訴我CRC結果是10，那我去解析資料，資料因為雜訊干擾，變成10000，我自己計算出該筆資料CRC結果是1，但是傳送端的CRC結果告訴我應該是要10而不是1，所以我可以斷定這資料是有誤的，這就是一種偵錯方式。

當然如果是 10001 被干擾成 10100，這樣加起來還是10，於是判定為通過CRC偵錯，但是結果很明顯是錯誤的，所以CRC檢查不會用加法這種簡單數學演算法，而是用更複雜的多項式，並且也僅支援錯一部分的偵錯。

數學的偵錯有很多種，像是台灣身分證，A123456789，A代表台北市，1代表男生，於是數學家們將12345678這些數字套入，台灣身分證產生公式，可以得出 121 這個數字，之後除以10餘1，因此10-1 = 9，所以A12345678這個檢查碼應該是9，所以這是一個合法的身分證字號。

　PS: A123456789 是符合台灣身分證字號的規則，該身分證是台北內湖謝條根先生，他因為身分證太簡單，經常被冒用，經常上法院，涉及援交、訂票、公司逃漏稅、健保看病、詐騙集團申請信用卡、網拍帳號等等。