数据链路层（四）：数据链路层协议

1 数据链路层协议

数据链路层“协议”也称为“规程”，数据链路控制协议也称数据链路控制规程。
数据链路控制协议主要分为异步协议和同步协议两大类。

1.1 异步协议

数据链路层的异步协议是一种通信协议，它允许数据在没有固定时间间隔的情况下传输。这种协议主要用于处理那些不需要连续发送大量数据的通信场景。

• 传输单位：字符
• 工作原理：
  • a.发送数据：发送方在准备好发送数据时，首先发送一个起始位，然后是数据位，最后是停止位。
  • b.接收数据：接收方在任何时刻都可以开始接收数据。它通过检测起始位来同步发送方的数据流，并在接收到停止位时结束接收。接收方需要对每个接收到的字符进行处理，如校验、解码等。
  • c.错误检测：异步协议通常包含错误检测机制，如奇偶校验位，以确保数据的完整性。如果接收到的数据出现错误，接收方可以请求发送方重发。
  • d.流量控制：为了防止数据丢失或溢出，异步协议可能采用简单的流量控制机制，如XON/XOFF，其中XON字符表示允许发送数据，而XOFF字符表示停止发送数据。
• 基本特点：
  • a.字符计数：异步协议通常以字符为单位发送数据。每个字符包括数据位、起始位和停止位。起始位标志着字符的开始，而停止位则表示字符的结束。
  • b.起始位和停止位：起止式通信规程是异步协议的典型，它是靠起始为（逻辑0）和停止位（逻辑1）来实现字符内比特的同步的。这样的设计可以使接收方在任何时刻同步到发送方的数据流。
  • c.无固定时间间隔：异步通信不要求发送方和接收方在固定的时间间隔内交换数据。这意味着发送方可以在任何时刻发送数据，接收方则在准备好接收数据时开始接收。
  • d.流量控制：由于异步协议不保证发送方和接收方的同步，因此可能需要额外的流量控制机制来防止数据丢失或溢出。
• 缺点：信道利用率很低，原因是：每个传输字符都要添加诸如起始位、校验位、停止位等冗余位
• 应用场景：一般用于数据速率较低的场合，主要是用在调制解调器中

异步协议是一种灵活的通信方式，适用于数据传输不需要实时性或连续性的场景。它通过起始位和停止位来标识数据的开始和结束，允许数据在任何时刻被发送和接收，同时具备一定的错误检测和简单的流量控制机制。

1.2 同步协议

数据链路层的同步协议是一种在通信系统中用于确保数据正确传输的机制。与异步协议不同，同步协议要求发送方和接收方在固定的时间间隔内交换数据。这种协议主要用于那些需要连续发送大量数据的场景，如文件传输或实时通信。

• 传输单位：由字符或比特组成的数据块
• 工作原理：
  • a.建立同步：在通信开始之前，发送方和接收方需要通过交换同步序列来建立同步。这通常涉及到发送方发送一个特定的同步序列，接收方检测到该序列并确认同步。
  • b.发送数据：一旦同步建立，发送方就可以开始按照固定的时间间隔发送数据。每个数据单元都被封装在一个帧中，并以同步序列作为标识。
  • c.接收和处理数据：接收方在检测到同步序列后，开始接收数据帧。接收到的数据帧会被检查错误，并进行必要的处理，如解封装、解码等。
  • d.错误处理：如果接收方检测到错误，它会请求发送方重发受影响的数据帧。这通常涉及到发送一个错误指示信号，如否定应答（NAK）或选择重传（SRT）。
  • e.维持同步：在整个通信过程中，发送方和接收方需要持续维持同步。如果同步丢失，双方需要重新建立同步。
• 基本特点：
  • a.固定时间间隔：同步协议要求数据按照固定的时间间隔发送。这意味着发送方和接收方必须在相同的速率下工作，以保证数据的连续性和一致性。
  • b.帧结构：在同步协议中，数据通常被组织成帧（frame）。每个帧包含一个完整的数据单元，如一个文件块或一段音频数据。帧的开始和结束由特定的同步序列（如特定的比特模式）标识。
  • c.同步序列：同步序列是同步协议中的关键组成部分，它用于帮助接收方识别帧的开始和结束。同步序列通常是预先定义好的，且具有独特的比特模式，以便于接收方进行同步。
• 协议分类：
  • 面向字符（字节）的协议（Character-Oriented Protocol）
    • 传输单位：位
    • 实现方式：通过发送特定的比特组合来控制通信过程，比如发送命令或接收响应。这些控制信息可以和普通的数据一起在同一通信链路上发送，以便实时监控和管理链路的状态。简单来说，面向比特的协议能在传输数据的同时，用特定的比特模式来管理和调整通信链路。
    • 基本特点：
      • 通过发送特定的比特组合来控制通信过程
      • 控制信息可以和普通的数据一起在同一通信链路上发送
    • 典型代表：高级数据链路控制HDLC（High-level Data Link Control）
      • 特点：支持半双工和全双工通信
      • 所有面向比特的协议都和高级数据链路控制HDLC有关
  • 面向比特的协议（Bit-Oriented Protocol）：
    • 面向字符的协议效率比面向比特的协议低，例如BSC规程，现在不大采用。

同步协议是一种确保数据在固定时间间隔内正确传输的机制，适用于需要连续数据流的通信场景。它通过同步序列来标识数据帧的开始和结束。同步协议要求发送方和接收方在相同的速率下工作，以保证数据的连续性和一致性。

1.3 局域网数据链路层协议

局域网数据链路层协议主要由IEEE 802小组制定，它们都涵盖了物理层和数据链路层。这些标准包括以下几个：

• Ethernet（以太网）
• Token-Ring（令牌环）
• Token-Bus（令牌总线）
• WLAN（无线局域网）

1.4 广域网数据链路层协议

广域网是基于交换技术的网络，网络中的中间节点负责将数据转发到下一个节点，节点间的线路利用率高。

广域网数据链路层技术复杂，它需要将数据封装成适合广域网传输的帧，以保证数据的可靠传输。

广域网通信子网部分由公共传输系统组成，提供相应服务的一般由电信运营商，如电信、联通、移动等。

广域网数据链路层标准有以下几个：

• HDLC（高级数据链路控制）
• X.25（公共分组交换网）
• PPP（点到点协议）
• Frame Relay（帧中继）