HDLC学习总结1
1．数据链路控制规程
1．1 数据链路结构
数据链路结构可以分为两种：点-点链路和点-多点链路，如图1所示。图中数据链路两端DTE称为计算机或终端，从链路逻辑功能的角度常称为站，从网络拓扑结构的观点则称为节点。
在点-点链路中，发送信息和命令的站称为主站，接收信息和命令而发出确认信息或响应的站称为从站，兼有主、从功能可发送命令与响应的站称为复合站。在点-多点链路中，往往有一个站为控制站，主管数据链路的信息流，并处理链路上出现的不可恢复的差错情况，其余各站则为受控站。
1．2 数据链路控制规程功能
数据链路层是OSI参考模型的第二层，它在物理层提供的通信接口与电路连接服务的基础上，将易出错的数据电路构筑成相对无差错的数据链路，以确保DTE与DTE之间、DTE与网络之间有效、可靠地传送数据信息。为了实现这个目标，数据链路控制规程的功能应包括以下几个部分：
l 帧控制
数据链路上传输的基本单位是帧。帧控制功能要求发送站把网络送来的数据信息分成若干码组，在每个码组中加入地址字段、控制字段、校验字段以及帧开始和结束标志，组成帧来发送；要求接收端从收到的帧中去掉标志字段，还原成原始数据信息后送到网络层。
l 帧同步
在传输过程中必须实现帧同步，以保证对帧中各个字段的正确识别。
l 差错控制
当数据信息在物理链路中传输出现差错，数据链路控制规程要求接收端能检测出差错并予以恢复，通常采用的方法有自动请求重发ARQ和前向纠错两种。采用ARQ方法时，为了防止帧的重收和漏收，常对帧采用编号发送和接收。当检测出无法恢复的差错时，应通知网络层做相应处理。
l 流量控制
流量控制用于克服链路的拥塞。它能对链路上信息流量进行调节，确保发送端发送的数据速率与接收端能够接收的数据速率相容。常用的流量控制方法是滑动窗口控制法。
l 链路管理
数据链路的建立、维持和终止，控制信息的传输方向，显示站的工作状态，这些都属于链路管理的范畴。
l 透明传输
规程中采用的标志和一些字段必须独立于要传输的信息，这就意味着数据链路能够传输各种各样的数据信息，即传输的透明性。
l 寻址
在多点链路中，帧必须能到达正确的接收站。
l 异常状态恢复
当链路发生异常情况时，如收到含义不清的序列或超时收不到响应等，能自动重新启动，恢复到正常工作状态。
1．3 数据链路控制规程分类
为了适应数据通信的需要，ISO、ITU-T以及一写国家和大的计算机制造公司，先后制定了不同类型的数据链路控制规程。根据帧控制的格式，可以分为面向字符型、面向比特型。
l 面向字符型
国际标准化组织制定的ISO 1745、IBM公司的二进制同步规程BSC以及我国国家标准GB3543-82属于面向字符型的规程，也称为基本型传输控制规程。在这类规程中，用字符编码集中的几个特定字符来控制链路的操作，监视链路的工作状态，例如，采用国际5号码中的SOH、STX作为帧的开始，ETX、ETB作为的结束，ENQ、EOT、ACK、NAK等字符控制链路操作。面向字符型规程有一个很大的缺点，就是它与所用的字符集有密切的关系，使用不同字符集的两个站之间，很难使用该规程进行通信。面向字符型规程主要适用于中低速异步或同步传输，很适合于通过电话网的数据通信。
l 面向比特型
ITU-T制定的X.25建议的LAPB、ISO制定的HDLC、美国国家标准ADCCP、IBM公司的SDLC等均属于面向比特型的规程。在这类规程中，采用特定的二进制序列01111110作为帧的开始和结束，以一定的比特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能，命令和响应可以和信息一起传送。所以它可以实现不编码限制的、高可靠和高效率的透明传输。面向比特型规程主要适用于中高速同步半双工和全双工数据通信，如分组交换方式中的链路层就采用这种规程。随着通信的发展，它的应用日益广泛。
2．HDLC基本概念
2．1 主站、从站、复合站
HDLC涉及三种类型的站，即主站、从站和复合站。
主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。
2．2 HDLC链路结构
在HDLC中，对主站、从站和复合站定义了三种链路结构，如图2所示。
图2 HDLC链路结构类型
2．3 操作方式
根据通信双方的链路结构和传输响应类型，HDLC提供了三种操作方式：正常响应方式、异步响应方式和异步平衡方式。
l 正常响应方式（NRM）
正常响应方式（NRM）适用于不平衡链路结构，即用于点-点和点-多点的链路结构中，特别是点-多点链路。这种方式中，由主站控制整个链路的操作，负责链路的初始化、数据流控制和链路复位等。从站的功能很简单，它只有在收到主站的明确允许后，才能发出响应。
l 异步响应方式（ARM）
异步响应方式（ARM）也适用于不平衡链路结构。它与NRM不同的是：在ARM方式中，从站可以不必得到主站的允许就可以开始数据传输。显然它的传输效率比NRM有所提高。
l 异步平衡方式（ABM）
异步平衡方式（ABM）适用于平衡链路结构。链路两端的复合站具有同等的能力，不管哪个复合站均可在任意时间发送命令帧，并且不需要收到对方复合站发出的命令帧就可以发送响应帧。ITU-T X.25建议的数据链路层就采用这种方式。
除三种基本操作方式，还有三种扩充方式，即扩充正常响应方式（SNRM）、扩充异步响应方式（SARM）、扩充异步平衡方式（SABM）它们分别与基本方式相对应。
3．HDLC帧结构
HDLC的帧格式如图3所示，它由六个字段组成，这六个字段可以分为五中类型，即标志序列（F）、地址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（I）、帧校验字段（FCS）。在帧结构中允许不包含信息字段I。
图3 HDLC帧结构
l 标志序列（F）
HDLC指定采用01111110为标志序列，称为F标志。要求所有的帧必须以F标志开始和结束。接收设备不断地搜寻F标志，以实现帧同步，从而保证接收部分对后续字段的正确识别。另外，在帧与帧的空载期间，可以连续发送F，用来作时间填充。
在一串数据比特中，有可能产生与标志字段的码型相同的比特组合。为了防止这种情况产生，保证对数据的透明传输，采取了比特填充技术。当采用比特填充技术时，在信码中连续5个“1”以后插入一个“0”；而在接收端，则去除5个“1”以后的“0”，恢复原来的数据序列，如图4所示。比特填充技术的采用排除了在信息流中出现的标志字段的可能性，保证了对数据信息的透明传输。
数据中某一段比特组合恰好 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0
出现和F字段一样的情况 会误认为是F字段
发送端在5个连1之后 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0
填入0比特再发送出去 填入0比特
在接收端将5个连1之后 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0
图4 比特填充
当连续传输两帧时，前一个帧的结束标志字段F可以兼作后一个帧的起始标志字段。当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使接收端可以一直保持与发送端同步。
l 地址字段（A）
地址字段表示链路上站的地址。在使用不平衡方式传送数据时（采用NRM和ARM），地址字段总是写入从站的地址；在使用平衡方式时（采用ABM），地址字段总是写入应答站的地址。
地址字段的长度一般为8bit，最多可以表示256个站的地址。在许多系统中规定，地址字段为“11111111”时，定义为全站地址，即通知所有的接收站接收有关的命令帧并按其动作；全“0”比特为无站地址，用于测试数据链路的状态。因此有效地址共有254个之多，这对一般的多点链路是足够的。但考虑在某些情况下，例如使用分组无线网，用户可能很多，可使用扩充地址字段，以字节为单位扩充。在扩充时，每个地址字段的第1位用作扩充指示，即当第1位为“0”时，后续字节为扩充地址字段；当第1位为“1”时，后续字节不是扩充地址字段，地址字段到此为止。
l 控制字段（C）
控制字段用来表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。从图5-11可见，由于C字段的构成不同，可以把HDLC帧分为三种类型：信息帧、监控帧、无编号帧，分别简称I帧(Information)、S帧(Supervisory)、U帧(Unnumbered)。在控制字段中，第1位是“0”为I帧，第1、2位是“10”为S帧，第1、2位是“11”为U帧，它们具体操作复杂，在后面予以介绍。另外控制字段也允许扩展。
l 信息字段（I）
信息字段内包含了用户的数据信息和来自上层的各种控制信息。在I帧和某些U帧中，具有该字段，它可以是任意长度的比特序列。在实际应用中，其长度由收发站的缓冲器的大小和线路的差错情况决定，但必须是8bit的整数倍。
l 帧校验序列字段（FCS）
帧校验序列用于对帧进行循环冗余校验，其校验范围从地址字段的第1比特到信息字段的最后一比特的序列，并且规定为了透明传输而插入的“0”不在校验范围内。
4．控制字段和参数
控制字段是HDLC的关键字段，许多重要的功能都靠它来实现。控制字段规定了帧的类型，即I帧、S帧、U帧，控制字段的格式如图3所示，其中
N（S） 发送帧序列编号
N（R） 期望接收的帧序列编号，且是对N(R)以前帧的确认
S 监控功能比特
M 无编号功能比特
P/F 查询/结束(Poll/Final)比特，作为命令帧发送时的查询比特，以P位出现；作为响应帧发送时的结束比特，以F位出现。
下面对三种不同类型的帧分别予以介绍。
4．1 信息帧（I帧）
I帧用于数据传送，它包含信息字段。在I帧控制字段中b1～b3比特为N(S)，b5～b7比特为N（R）。由于是全双工通信，所以通信每一方都各有一个N(S)和N(R)。这里要特别强调指出：N(R)带有确认的意思，它表示序号为N(R)-1以及在这以前的各帧都已经正确无误地收妥了。
为了保证HDLC的正常工作，在收发双方都设置两个状态变量V(S)和V(R)。V(S)是发送状态变量，为发送I帧的数据站所保持，其值指示待发的一帧的编号；V(R)是接收状态变量，其值为期望所收到的下一个I帧的编号。可见这两个状态变量的值确定发送序号N(S)和接收序号N(R)。
在发送站，每发送一个I帧，V(S)→N(S），然后V(S)+1→V(S)。在接收站，把收到的N(S）与保留的V(R)作比较，如果这个I帧可以接收，则V(R)+1→N(R)，回送到发送站，用于对前面所收到的I帧的确认。N(R)除了可以用I帧回送之外，还可以用S帧回送，这一点从图5-11中可以看出来，在I帧和S帧的控制字段中具有N(R)。
V(S)、V(R)和N(S)、N(R)都各占3bit，即序号采用模8运算，使用0～7八个编号。在有些场合，如卫星通信模8已经不能满足要求了，这时可以把控制字段扩展为两个字节，N(S)、N(R)和V(S)、V(R)都用7bit来表示，即增加到模128。
4．2 监控帧（S帧）
监控帧用于监视和控制数据链路，完成信息帧的接收确认、重发请求、暂停发送请求等功能。监控帧不具有信息字段。监控帧共有4种，表1是这4种监控帧的代码、名称和功能。表1 监控帧的名称和功能
记忆符 |
名 称 |
比特 |
功 能 |
|
b2 |
b3 |
|||
RR |
接收准备好 |
0 |
0 |
确认，且准备接受下一帧，已收妥N(R)以前的各帧 |
RNR |
接收未准备好 |
1 |
0 |
确认，暂停接收下一帧，N(R)含义同上 |
REJ |
拒绝接收 |
0 |
1 |
否认，否认N(R)起的各帧，但N(R)以前的帧已收妥 |
SREJ |
选择拒绝接收 |
1 |
1 |
否认，只否认序号为N(R)的帧 |
上面四种监控帧中，前三种用在返回N连续ARQ方法中，最后一种只用于选择重发ARQ方式中。
S帧中没有包含用户的数据信息字段，它只有48bit长，显然不需要N(S)，但S帧中N(R)特别有用，它具体含义随不同的S帧类型而不同。其中RR帧和RNR帧相当于确认信息ACK，REJ帧相当于否认信息NAK。同时应当注意到，RR帧和RNR帧还具有流量控制的作用，RR帧表示已经作好表示接收帧的准备，希望对方继续发送，而RNR帧则表示希望对方停止发送（这可能是由于来不及处理到达的帧或缓冲器已存满）。
4．3 无编号帧（U帧）
无编号帧用于数据链路的控制，它本身不带编号，可以在任何需要的时刻发出，而不影响带编号的信息帧的交换顺序。它可以分为命令帧和响应帧。用5个比特位（即M1、M2）来表示不同功能的无编号帧。HDLC所定义的无编号帧名称和代码见表2。
表2 无编号帧的名称和代码
记忆符 |
名 称 |
类型 |
M1 |
M2 |
|
命令 |
响应 |
b3 b4 |
b6 b7 b8 |
||
SNRM |
置正常响应模式 |
C |
|
0 0 |
0 0 1 |
SARM/DM |
置异步响应模式/断开方式 |
C |
R |
1 1 |
0 0 0 |
SABM |
置异步平衡模式 |
C |
|
1 1 |
1 0 0 |
SNRME |
置扩充正常响应模式 |
C |
|
1 1 |
0 1 1 |
SARME |
置扩充异步响应模式 |
C |
|
1 1 |
0 1 0 |
SABME |
置扩充异步平衡模式 |
C |
|
1 1 |
1 1 0 |
DISC/RD |
断链/请求断链 |
C |
R |
0 0 |
0 1 0 |
SIM/RIM |
置初始化方式/请求初始化方式 |
C |
|
1 0 |
0 0 0 |
UP |
无编号探询 |
C |
|
0 0 |
1 0 0 |
UI |
无编号信息 |
C |
|
0 0 |
0 0 0 |
XID |
交换识别 |
C |
R |
1 1 |
1 0 1 |
RESET |
复位 |
C |
|
1 1 |
0 0 1 |
FRMR |
帧拒绝 |
|
R |
1 0 |
0 0 1 |
UA |
无编号确认 |
|
R |
0 0 |
1 1 0 |
4．4 P/F比特的使用
值得注意的是在HDLC的各类帧中，均带有查询/结束（P/F）比特。在不同的数据传送方式中，P/F比特的用法是不一样的，
在NRM方式中，从站不能主动向主站发送信息，从站只有收到主站发出的P比特为1（对从站的查询）的命令帧以后才能发送响应帧。若从站有数据发送，则在最后一个数据帧中将F比特置1；若无数据发送，则应在回答的S帧中将F比特置1。
在ARM或ABM方式中，任何一个站都可以在主动发送的S帧和I帧中将P比特置1。对方站收到 P=1的帧后，应尽早地回答本站的状态并将F比特置1。
下面结合图5的例子具体说明P/F比特的使用方法。图中主站A和从站B、C连成多点链路，传送帧的一些主要参数按照“地址，帧名和序号，P/F”的先后顺序标注。这里的地址是指地址字段中应填入的站地址；帧名是指帧的名称，如RR、I；序号是指监控帧中的N(R) 或信息帧中的N(S)N(R)，如RR4、I31（第1个数字是N(S)，第2个数字是N(R)）。P/F是在其为1时才写上P或F，表明此时控制字段的第5比特为1。
图5 P/F比特的使用方法
主站A先询问B站：“B站，若有信息，请立刻发送”。这时A站发送的帧是RR监控帧，并将N(R)置0，表示期望收到对方的0号帧。因此在图5-13中将这样的帧记为“B,RR0,P ”。对主站的这一命令，B站响应以连续4个信息帧，其序号N(S)从0到3。最后在第4个信息帧中将F置1，表示“我要发送的信息已发完”。这个帧记为“B,I30,F”。A站在收到B站发来的4个信息帧后，发回确认帧RR4（这时N(R)=4）。我们注意到这时P/F比特并未置1，所以B站收到RR4后不必应答。接下去A站轮询C站，P=1，虽然这时C站没有数据发送，但也必须立即应答。C站应答也是RR帧，表示目前没有信息帧发送，F=1表明这是回答对方命令的一个响应。
有了P/F比特，使HDLC规程使用起来更加灵活。在两个复合站全双工通信时，任何一方都可随时使P=1，这时对方就要立即回答RR帧，并置F=1，这样就可以收到对方的确认了。如果不使用P/F比特，则收方不一定马上发出确认帧，比如收方可以在发送自己的信息帧时，利用N(R)把确认信息发出。
5．HDLC操作
在图5中讨论了主站A和从站B、C交换信息的情况，这只是整个数据通信的中间阶段，在这个阶段之前还有一个数据链路的建立阶段，在数据传送完毕后，还必须有一个数据链路的释放阶段。也就是说HDLC执行数据传输控制功能，一般分为3个阶段：数据链路建立阶段、信息帧传送阶段、数据链路释放阶段。第2阶段的完成需要用到信息帧和监控帧，第1、3阶段的完成需要用到无编号帧。
图6画出了多点链路的建立和释放。主站A先向从站B发出置正常响应模式SNRM的命令，并将P置1，要求B站作出响应。B站同意建立链路后，发送无编号确认UA的响应，将F置1。A站和B站在将其状态变量V(S)和V(R)进行初始化后，就完成了数据链路的建立。接着A站开始与C站建立链路。
图6 多点链路的建立和释放
当数据传送完毕后，A站分别向B站和C站发出断链命令DISC，B站、C站用无编号确认帧UA响应，数据链路就释放了。
图7为点对点链路中两个站都是复合站的情况。复合站中的一个站先发出置异步平衡模式SABM的命令，对方回答一个无编号响应帧UA后，即完成了数据链路的建立。由于两个站是平等的，任何一个站均可在数据传送完毕后发出DISC命令提出断链的要求，对方用UA帧响应，完成数据链路的释放。
6．HDLC规程的特点
与面向字符的基本型传输控制规程相比较，HDLC具有以下特点：
l 透明传输
HDLC对任意比特组合的数据均能透明传输。“透明”是一个很重要的术语，它表示：某一个实际存在的事物看起来好象不存在一样。“透明传输”表示经实际电路传送后的数据信息没有发生变化。因此对所传送数据信息来说，由于这个电路并没有对其产生什么影响，可以说数据信息“看不见”这个电路，或者说这个电路对该数据信息来说是透明的。这样任意组合的数据信息都可以在这个电路上传送。
l 可靠性高
在HDLC规程中，差错控制的范围是除了F标志的整个帧，而基本型传输控制规程中不包括前缀和部分控制字符。另外HDLC对I帧进行编号传输，有效地防止了帧的重收和漏收。
l 传输效率高
在HDLC中，额外的开销比特少，允许高效的差错控制和流量控制。
l 适应性强
HDLC规程能适应各种比特类型的工作站和链路。
l 结构灵活
在HDLC中，传输控制功能和处理功能分离，层次清楚，应用非常灵活。
最后需要指出，一般的应用极少需要使用HDLC的全集，而选用HDLC的子集。当使用某一厂商的HDLC时，一定要弄清该厂商所选用的子集是什么。