3.1 数据链路层概述
3.1.1 数据链路层功能
数据链路层的主要功能是实现网络上两个相邻节点之间的无差错传输。它将物理层传输的原始比特流按照一定格式封转成帧，能够检测并校正物理层的传输差错，在相邻节点之间构成一条无差错的链路。
数据在物理传输过程中可能发生错误，例如发送端发送了0100，而接收端收到了0101，由于物理层不能识别所传输的比特流的含义，因此不可能识别判断数据在传输过程中是否发生错误，更不能采取补救措施。而数据链路层将比特流按照一定的格式组织起来，使数据具有了一定的含义，因此可以实现差错控制、流量控制、物理地址寻址等功能。
3.1.2 数据链路层实现—帧
为了实现差错控制、流量控制、物理地址寻址等一系列功能，数据链路层采用了被称为帧（frame）的协议数据单元作为数据链路层的数据传送逻辑单元，即数据链路层将数据一帧一帧的传输，而不是像物理层那样按位传输。尽管不同的数据链路层协议的帧格式存在一定差异，但基本格式大同小异。图3-1给出了帧的基本格式，帧中的每个有特定含义的部分被称为字段（field）。
图3-1 帧基本格式
该格式中各字段基本功能如下。
1）开始同步位：用于指示帧或数据流的开始。
2）地址：地址字段给出节点的物理地址信息，物理地址可以是局域网网卡地址，也可以是广域网中的数据链路标识，地址字段用于设备或机器的物理寻址。
3）类型/长度：提供有关帧的长度或类型的信息，也可以是其他一些控制信息。
4）数据：来自上层即网络层的数据。
5）校验码：提供校验码等差错检测有关的信息。
6）结束同步位：用于指示帧或数据流的结束。
通常数据字段之前的所有字段被统称为帧的头部，而数据字段之后的所有字段被称为帧尾部分。
引入帧机制不仅可以实现相邻节点之间的可靠传输，还有助于提高数据传输的效率。例如，若发现接收到的某一个或几个比特出错时，可以只对相应的帧进行特殊处理（如请求重发等），而不需要对其他未出错的帧进行这种处理；如果发现某一帧丢失，也只要请求发送方重传所丢失的帧，从而大大提高了数据处理和传输的效率。
按照分层数据传输机制（参见第1.4.3节），发送方的数据链路层必须提供从网络层接收的分组封装成帧的功能，即为来自上层的分组加上必要的帧头和帧尾部分，通常称此为成帧（Framing）；而接收方数据链路层则必须提供将帧重新拆装成分组的拆帧功能，即去掉发送端数据链路层所加的帧头和帧尾部分，从中分离出网络层所需的分组。在成帧过程中，如果上层的分组大小超出下层帧的大小限制，则上层的分组还要被划分成若干个帧才能被传输。
3.1.3 数据链路层协议
数据链路层的主要协议有如下几种。
1.Ethernet协议
Ethernet（以太网）协议是使用最为广泛的数据链路层协议。由Xerox（施乐）公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并可以运行在多种类型的电缆上。IEEE将以太网定义为IEEE 802.3标准，包括标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆位以太网（1000Mbit/s）和万兆以太网（10Gbit/s），其中标准以太网和快速以太网主要传输介质为双绞线和同轴电缆，主要适用于局域网；千兆位以太网和万兆位以太网传输介质主要为光纤，既可以用于局域网也可以用于广域网。
2.PPP
PPP（Point-to-Point，点对点）是一种点对点式的通信协议，由SLIP改良而成，适用于点到点链路中的两端设备连接和通信。PPP协议主要用于早期的电话拨号上网，用户使用调制解调器（Modem）通过电话线拨号接入远端设备后，可以在物理线路上建立一条虚电路，使个人计算机成为网络上的一个节点。
目前在家庭宽带中常使用PPPoE（PPP over Ethernet，以太网的点对点协议，如图3-2所示），它是以太网协议和点对点协议的结合。利用以太网将大量主机组成局域网，通过局域网集中器拨号到远端接入设备连入Ethernet，并对接入的每一个主机实现安全控制、认证计费等功能。PPPoE相对PPP的优点如下。
图3-2 家庭宽带使用的PPPoE
1）避免每个主机都要配备一台调制解调器，只需一个局域网（一栋楼或一个小区）配一台调制解调器即可。
2）可以集中管理安全控制、认证计费等功能，性价比较高。
3.HDLC协议
HDLC（High-level Data Link Control，高级数据链路控制）协议是国际标准化组织ISO制定的数据链路层协议。这是一种面向比特的协议，支持全双工通信，采用位填充的成帧技术，以滑动窗口协议进行流量控制。
HDLC帧格式如图3-3所示。
图3-3 HDLC帧格式
其中，帧头和帧尾的位模式串“01111110”为帧的开始和结束标记。
地址字段（Address）由8位组成。对于命令帧，存放接收站的目的地址；对于响应帧，存放发送响应帧的源地址。
控制字段（Control）由8位组成，它标志了HDLC的3种类型帧：信息（Information）帧、监控（Supervisory）帧和无序号（Unnumbered）帧。
数据字段（Data）长度为任意字节，来源于上一层传递的数据。
校验码字段采用16位的CRC校验，校验的内容包括地址字段、控制字段和数据字段。
4.FR
FR（Frame Relay，帧中继）是一种分组交换网（参见第2.3.2节），是随着光纤的普及使用而发展起来的，是一种广泛使用的广域网技术。目前帧中继的主要应用之一是局域网互连，特别是在局域网通过广域网进行互连时，使用帧中继更能体现它的低网络时延、低设备费用、高带宽利用率等优点。
帧中继的主要特点是：使用光纤作为传输介质，因此误码率极低，没有差错校验机制，减少了进行差错校验的开销，提高了网络的吞吐量；帧中继是一种分组交换网，在使用复用技术时，其传输速率可高达44.6Mbit/s。很多电信运营商都提供了帧中继服务。
5.ATM
ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）是以信源为基础的一种分组交换和复用技术，适用于局域网和广域网，具有高数据传输率，支持声音、数据、传真、实时视频通信等多种类型的数据传输。其标准传输速率一般为155Mbit/s和622Mbit/s。
ATM的传送单元是固定长度53字节的信源，其中前5字节为信源头部，用来承载该信源的控制信息，包含了选择路由用的VPI（虚通道标识符）/VCI（虚通路标示符）信息；后48字节为信源体，用来承载要传输的数据。
ATM采用面向连接的传输方式，通过虚电路连接进行交换，它需要在通信双方向建立连接，通信结束后再由信令拆除连接。但它摒弃了电路交换中采用的同步时分复用，改用异步时分复用，收发双方的时钟可以不同，从而可以更有效地利用带宽。
ATM集交换、复用、虚电路为一体，具有电路交换和分组交换的双重性和各自的优点，降低了网络时延，提高了交换速度，因此在高速专用网（如军事机构网、金融机构网等）中得到了广泛的使用。