数据链路层协议综合概述
1．数据链路层介绍
数据链路层协议要实现的基本目标就是为网络实体提供可靠的数据通信服务，具体包括∶将物理层的位（1和0）组成俗称为"帧"或"包"的数据链路层服务数据单元，它是数据链路层逻辑信息交换单位。与字节一样，帧也是一系列连续的位组成的同层数据交换单位;传输差错检测及控制，能恢复时则予以纠正;数据流量控制;识别网上每台计算机，即网络数据链路层编址，这对局域网MAC尤为重要。
局域网数据链路层的功能通常划分为介质访问控制子层;逻辑链路控制子层。
（1）介质访问控制子层（MAC）。MAC子层控制收发器共享单一传输信道的方式。若使用MSAP支持LLC时，MAC子层负责帧的编址及其识别。MAC到MAC 操作通过同等层MAC协议实现。MAC还负责产生帧校验序列及其检验等功能。MAC的具体功能留待介质访问控制一节中专门讨论。
（2）逻辑链路控制子层（LLC）。LLC子层的功能是建立和维护及拆卸数据，以便数据帧无差错地从一台设备传向另一台设备。
LLC协议由IEEE 802.2定义，它是HDLC的一个兼容子集。它支持两种类型的链路层服务，即无连接LLC及面向连接LLC。网桥、智能集线器、网卡等互连硬件设备往往与数据链路层有关。
2.介质访问控制
逻辑拓扑结构使用特定的规则控制何时允许网络实体传送数据信号，这种控制规则就称为介质访问控制协议。它对共享介质型局域网具有非同一般的意义，类似日常生活中的交通控制，是IEE802MAC子层的核心内容。若没有介质访间控制协议，所有设备在它们准备好数据时就立即发送，就会出现一个或多个站点同时发送，其结果是不同的信号相互干扰破坏，甚至彻底丢失信号。这种情形叫做冲突，它破坏了站点间的有效通信。
介质访问控制协议要解决的问题就是尽可能地消除或减少多个并发信号之间的冲突或干扰，确定何时才允许网中设备发送数据。介质访问控制协议可分为
三类∶争用、令牌传递、轮询。
不同的MAC协议具有不同的特点，分别适应不同的应用需求。因而在选用MAC协议之前，需要特别慎重考虑以下四个因素∶数据传输是持续不断的还是突发的?数据传输量多大?数据的时间敏感性如何?网上设备的数量多还是少?
（1）争用。最早的"争用"系统采用"先来先服务"的原则，由网络设备自由竞争介质的访问权，不存在仲裁机构。在争用系统中，网上所有设备在它们想要发送时就能发送。如前所述，这种做法最终会因冲突的发生而导致数据丢失。每当增加新设备时，冲突概率呈几何级数增长，故这种系统只适应规模较小的网络。
为了减少冲突次数，已研制出一类称之为"载波侦听多重访问（CSMA）"的争用协议。它要求各站点检测到了一个信号，它就抑制自己发送，稍后再重试。CSMA大大地减少了冲突，却不能根除冲突。这是因为若两个站点同时对电缆进行侦听，一旦发现信道此时空闲，它们就会同时发送，故这两个帧仍然会发生冲突。
CSMA 又细分为两种，即载波侦听多重访问/冲突检测（CSMA/CD）和载波侦听多重访问/冲突回避（CSMA/CA）。
CSMA/CD协议不但在传输前对电缆进行侦听，而且在传输过程中也检测冲突，并能发起重传。CSMA/CD协议使用相当普遍。DEC公司的Ethernet版本2和IEEE802.3都采用了CSMA/CD协议。这种协议的问题是重负载下效率不高、传输延迟不定。据统计，如果一个共享型以太网段的站点数超过24个，则其传输介质有效利用率下降得很厉害，实际数据传输速率只能达到2.5Mbits/，而不是10Mbits/s。这就是为何采用交换式以太网以及利用网桥等设备"微分段"以太网的原因。
（2）令牌传递系统。在令牌传递系统中，一个非常小的数据帧（称为令牌或标记）以特定次序从一台设备传到下一台设备。令牌是一种特殊信息，它将介质控制权暂时托交给持有令牌的那台设备。令牌沿环传递，将介质控制权分发给网中设备。
已制定出好几种令牌传递MAC 协议。已标准化的包括IEEE 802.4令牌总线和IEEE 802.5令牌环。
令牌传递网络适用于可设置优先级的、对时间敏感的通信业务（如数字化声
音或视频）。通信量负载重时令牌传递网络效率较高。
令牌传递系统与争用系统的性能比较很有意思。从总体上看，两者不分仲伯，没有谁占绝对优势。但在特定应用环境，其中一个会比另一个显示出更好的性能。
一般而言，当负载重（通信量大）时，令牌传递网络能提供较高的网络吞吐量，而争用访问控制方法的性能就比较差。另一方面，由于争用网络访间介质的开销小，在负载轻的条件下，其性能则超过令牌传递系统。
（3）轮询。轮询方式早在分时系统时就已投入使用，只不过那时用于分时终端与计算机之间的通信。局域网中借用其原始思想，提出了轮询介质访问控制方法∶指定一台设备（称作控制器或主设备）作为介质访问权限的管理者（仲裁机构）。这台设备以某种事先约定好的顺序，依次询问其它设备（称为次设备），看它们是否有信息需要发送。
为了从次设备处获取数据，主设备向次设备发出一个数据请求，然后接收次设备发来的数据。收到数据后主设备再轮询另一个设备，并接收那台次设备发来的数据，以此类推。协议限制每台设备在一次轮询周期内能传送多少数据。轮询介质访问控制方法对由时间敏感设备（如自动化设备）组成的网络是较为理想的选择。
3. 编址
计算机网络实体需要某种方法来区分网络上的不同设备，这就是所谓编址机制。编址问题在OSI不同层中均存在。数据链路层只关心物理设备地址（也称MAC地址）。该地址是由设备厂商指定的唯一物理地址，而这些地址是由标准化组织分配给它们的。地址的具体格式取决于所用的介质访间控制方法（这正是为什么叫MAC地址的缘故）。网络用户根本不用去管设备使用什么样的物理地址，但应该知道他们的存在以及他们的作用。正是有了物理地址，网络才能识别这台设备，并将数据发送给它。
虽然可通过物理地址标识网上的计算机，但在共享介质型局域网中，真正传输数据时，网上所有设备均能收到某个站点发出的帧。每台设备读取帧的地址，只有其物理地址与读到的地址匹配的那台设备才真正接收数据。其他所有设备都不再继续接收这一帧的剩余部分。网桥利用物理设备地址在分离的传输介质缆段之间有选择地重发数据信号。透明网桥不要求初始
∶编程，安装后就能"记住"网络设备的位置，并建立一个设备/网络对应表。通过分析数据包的目的地地址，网桥能相应地转发数据包。如果目的地地址属于数据包来的那个网段，则网桥就丢弃该数据包，否则该数据包被发往相应的网段。
4传输同步
一旦发送方知道何时发送数据帧，接收方就必须知道何时应接收一个完整的帧，这就是所谓的传输同步。物理层讨论的位同步只是协调位一级的发送与接收时钟的方法。传输同步方法共分以下三种，它们决定了网络怎样来协调字符或帧的传输∶异步、同步、等时。
（1）异步传输。异步传输方法的基础是发送和接收设备都维持它们自己的内部时钟。两台设备使用相同计时机制，但并不对它们的时钟实施同步操作。异步传输设备使用异步方法独立发送每一帧或字符，每个帧或字符位串都以一个起始位作为引导，并不管其他各帧的定时。
尽管异步传输比较简单，但也难免发生位传输错误。如何检测异步传输中的位传输错误呢?最常用的方法是在每帧的每个字节结尾增加一个附加位，称做奇偶校验位。
（2）同步传输。同步传输方法要求通信设备负责提供一个传输（或称成帧）时钟，可用下列方法之一来实现∶
①发送特殊位串。面向字位型链路控制规程使用这种方法。HDLC使用位串0111110作为帧头尾标志。为了防止帧内信息域出现相同位串，采用所谓"0插入"技术;
②发送一个或多个特殊控制字符。面向字符型数据链路控制规程使用这种方法。如ISO BASIC中使用SYNC字符作为收发双方的传输同步信号;
③使用一个独立的专用时钟信道。
上述方法都能指出哪一位是一个字符或一个帧的开始位。借助这种方法，接收方就能知道它何时需要开始接收数据，并对位实施计数，从而保证能完整地接收一个字符或帧。
与异步传输相比，同步传输发生计时错误的概率小得多，因为收发双方都使用同一时钟。为了保证没有数据发送时仍保持帧时钟，同步传输系统使用填充位技术，这样发方就能保持传输计时的完整性。
传输大量数据时，同步传输较为有效，因为不必像异步传输那样付出大量额外开销。与异步传输一样，同步传输也需实施差错检测。最常用的方法是循环冗余检错码（CRC）。这种方法使用特定算法对帧数据块进行处理，求得的计算结果（叫做CRC）随数据块一道发出去。接收方也使用同样的算法，对收到的帧信息进行计算，然后将结果与收到的CRC域进行比较。如果出现差异就意味着该帧在传输过程中已遭破坏。CRC比其它差错检测都好，因为它能检测出多位错。HDLC 采用的CRC生成多项式为X"+X°+X'＋1。
（3）等时传输。等时传输法使用一个固定频率传输时钟来产生设定时隙。网络中某台专用设备负责产生时钟信号，并供给网上所有设备使用。根据规定的介质访问控制规则，网中设备监视网络上各时隙内的空闲空间，要发送信息的设备在空闲空间内插入数据。每个时隙内可插入多个帧，直到隙满为止，这种方法既不像异步传输那样要为每个字符提供一个时钟信号，也不像同步传输那样要在每帧的开始由发送方提供一个时钟信号。等时传输是由一个专用设备以恒定速奉为网上所有其他设备提供一个时钟。
5.连接服务
OSI/RM中好几层都提供下列三种类型的连接服务。
（1）无应答的无连接服务。以无流量控制、无差错控制和无包顺序控制的方式直接在同等层实体间交换数据包，对这种数据包收方不予应答，不必事先建立相应层连接，自然也不存在数据传输后的连接拆除。
对数据链路层而言，无应答无连接服务具有特定含义∶IEEE802.2定义的类型1就属于这种服务。这种服务实质上就等同于数据报服务，因为局域网中一般不存在路由选择问题，不专设网络层，故将原本属于网络层的数据报服务"下放"到LC子层，可用于点对点、多点式或广播式传播。
（2）面向连接的服务。在交换数据包之前，首选建立同步实体间的逻辑链路。在数据传输过程中，通过发送应答提供流量控制、差错控制及包顺序控制功能。数据传输结束后，还要拆除相应层逻辑链路。
在数据链路层，HDLC及IEEE 802.2定义的类型2等均提供这种连接服务。同样，对局域网LLC子层而言，这种服务实质上属于一种虚电路服务。
（3）带应答的无连接服务。这种服务无需建立相应层连接就直接交换数据
包，但使用应答，在点到点传输之间提供流量控制和差错控制功能。
连接服务使用的应答是一个表示已收到数据帧或包的特殊信息，下列三种LLC子层连接需要使用应答∶LLC 级流量控制、差错控制、帧保序控制。
LLC子层连接服务完成如下功能∶控制一台计算机发往另一台计算机的数据包（信息帧）的流量，以防数据丢失;检测传输差错，发现帧传输差错、丢失帧时请求重传。
①LC 级流量控制。一旦两个网络实体间能互传数据，允许传输多少数据这个问题就变得很重要了。一般说来，计算机网络是由具有不同速率、存储空间和处理能力的设备组成的。协议规程要防止较慢的收方被来自较快的发方的数据所"淹没"。流量控制规程就是控制在一个特定时间内能允许发方发出多少个数据包。LLC级流量控制使得慢设备让较快设备的数据速度降下来，保证收发双方的速度、资源匹配。流量控制管理两个端接设备（如计算机）和中间设备（如路由器）。
在数据链路层协议中，常常使用窗口流量控制和保速流量控制规程。
窗口流量控制规程建立一个缓冲区（或称为窗口），其内可容纳一组数据帧，最多可容纳的帧的个数称为窗口尺寸。根据窗口尺寸是恒定还是动态可变的，又有静态窗口和动态窗口之分。相应地，窗口流量控制规程又可细分为静态窗口流量控制规程和动态窗口流量控制规程。静态窗口流量控制规程只能使用一个窗口尺寸。假设窗口尺寸为7，发方应完成下列任务∶收集各种信息帧;为每个帧赋予一个临时窗口号（从1～7），称为发送序号;把这些信息帧发到传输介质上去，并保存未应答帧副本。
收方应在收到信息帧后送回一个应答信息，告诉发方帧已顺利到达，并已准备好接收下一编号帧。如果发方已将窗口内所有7帧都发出去了，那么，在共中某一序号的帧未被应答之前，就不能再使用该序号为其后的帧编号。因而，任何时候最多有7帧未被确认。通过这种方式，发方不会超过收方窗口尺寸的帧数，从而达到了流量控制目的。动态窗口流量控制允许网络设备自动调节窗口尺寸会使得LLC协议效率更高，这种做法又称为动态、浮动或滑动窗口流量控制。它允许未确认帧的数量由收方的当前状态确定。当收方的缓冲区超过一定值时，它就发出抑制包，先暂停一下，稍后再恢复发送，直至收到另一个抑制包。这样，窗
口尺寸不断上调或下调。
HDLC和IEEE802.2均采用窗口流量控制方法。帧的控制域长度为8时，最大窗口尺寸为7（编号为0～7）;控制域长度为16时（如X.25LAPB用干X.75互连时采用），最大窗口尺寸为127（编号为0～127）。信息帧控制域中N（S）就是该帧的窗口号。注意∶由于HDLC可采用捎带应答方式，故信息帧和监控帧中均含应答编号N（R），它表示对方发来的其编号小于等于N（R）值的帧均已收到。监控帧RNR相当于HDLC所用的"抑制包"。
保速流量控制机制采用另一套思路，即在双方通信前协商好所用的传输速率。这种协商在建立连接时完成。因而，在数据传输开始之前就已建立了保速流量控制。其准确含义是收发双方都同意在一次会话期间使用大家都能接受的传输速率，只要本次会话未结束，这个速率就维持不变。
②差错控制。LLC级差错控制比较简单，只涉及使用检错码和重传机制，只关心有无帧丢失或因位传输差错导致帧被破坏。差错控制是非常重要的，因为不管物理层采用什么传输介质，受环境噪声干扰、信号间干扰，传输差错是不可避免的，不同传输介质只是误码率高低不同而已。网络通信中下四层协议都要实施差错控制规程。LLC级差错控制处理两种情况。
第一，接收方未收到一个帧，即发生帧丢失时——使用面向连接或带确认（应答）的无连接服务。如果发方未收到收方有确认或收到一个否认或拒绝帧，则发方就认识到出了问题，然后再重传那个未确认帧。若收方不提供确认，发方是通过超时重发规程启动这种重传的。这是HDLC和IEEE 802.2规定的一种差错控制规程，要求发方保持一个时钟计时装置。
第二，校验和不匹配——收方接收一个外来帧的计算所用的检错码的校验和，并与发方送来的校验和相比较。如果两个值不匹配，就表明发生了位传输差错，整个帧被损坏了，因而丢弃该帧，并根据所用协议采取发送否认（NAK，面向字符型链路控制规程）、或不予确认等处置手段，请求发方重发此帧。