HDLC協議（一）——基本概念

主要參考百度百科。

1. 什麼是HDLC

廣域網簡稱WAN，是一種跨越超大的、地域性的計算機網絡集合。通常跨省、市、甚至一個國家。廣域網包括很多子網，子網可以是局域網；也可以是小型的廣域網。由於串行通信有着傳輸距離遠、成本低的特點，所以遠距離、超遠距離的通信中較常使用串行通信。廣域網以及兩種最常用的廣域網鏈路層協議——PPP協議和HDLC協議。

HDLC就是一種面向比特的網絡節點之間同步傳輸數據的數據鏈路層協議。

【注】：OSI是Open System Interconnect的縮寫，意爲開放式系統互聯。開放系統互連參考模型 (Open System Interconnect 簡稱OSI）是國際標準化組織(ISO)和國際電報電話諮詢委員會(CCITT)聯合制定的開放系統互連參考模型，爲開放式互連信息系統提供了一種功能結構的框架。它從低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

HDLC（High-Level Data Link Control，高級數據鏈路控制），是鏈路層協議的一項國際標準，用以實現遠程用戶間資源共享以及信息交互。HDLC協議用以保證傳送到下一層的數據在傳輸過程中能夠準確地被接收，也就是差錯釋放中沒有任何損失，並且序列正確。HDLC協議的另一個重要功能是流量控制，即一旦接收端收到數據，便能立即進行傳輸。

HDLC協議由ISO/IEC13239定義，於2002年修訂，2007年再次討論後定稿。在通信領域中，HDLC協議應用非常廣泛，其工作方式可以支持半雙工、全雙工傳送，支持點到點、多點結構，支持交換型、非交換型信道。 

2. 簡介

HDLC(High-level Data Link Control，高級數據鏈路控)協議是一種面向比特的高效鏈路層協議。一般情況下，HDLC通信協議IP核爲三個部分，即外部接口模塊、數據發送部分和數據接收部分。在這類面向比特的數據鏈路協議中，幀頭和幀尾都是特定的二進制序列， 通過控制字段來實現對鏈路的監控，可以採用多種編碼方式 實現高效的、可靠的透明傳輸。故其最大特點是不需要數據必須是規定字符集，對任何一種比特流，均可以實現透明的傳輸。

1974年，IBM公司率先提出了面向比特的同步數據鏈路控制規程SDLC（Synchronous Data Link Control）。隨後，ANSI和ISO均採納並發展了SDLC，並分別提出了自己的標準：

• 1、ANSI的高級通信控制過程ADCCP（Advanced DataControl Procedure），
• 2、 ISO的高級數據鏈路控制規程HDLC（High-level Data LinkContl）。

從此，HDLC協議開始得到了人們的廣泛關注，並開始應用於通信領域的各個方面。

3.特點

HDLC協議使用統一的幀格式，運用方便；採用零比特插入法，易於硬件實現，且支持任意的位流傳輸，實現信息的透明傳輸；全雙工通信，吞吐率高，在未收到應答幀的情況下，可連續發送信息幀，提高數據鏈路傳輸的效率；採用CRC幀校驗序列，可防止漏幀，提高信息傳輸的可靠性。 

主要有四個特點：

• 1·對於任何一種比特流都可透明傳輸。
• 2·較高的數據鏈路傳輸效率。
• 3·所有的幀都有幀校驗序列（FCS），傳輸可靠性高。
• 4·用統一的幀格式來實現傳輸。 

4. 基本配置

HDLC協議定義了3種類型的站、2種鏈路配置和3種數據傳輸方式。

4.1 三種類型的站如下：

• （1）主站。主站發出的幀叫命令幀，負責對鏈路進行控制。
• （2）從站。從站發出的幀叫響應幀，在主站的控制下進行操作。
• （3）複合站。既具有主站的功能，也有從站的功能，既可以發送命令幀，也可以發送響應幀。

4.2 兩種種鏈路配置如下：

• （1）非平衡配置。既可用於點對點鏈路也可用於多點鏈路。這種鏈路由一個主站和多個從站組成，可以支持全雙工或半雙工。
• （2）平衡配置。只能用於點對點鏈路。這種配置由兩個複合站組成，同樣支持全雙工或半雙工傳輸。

4.3 三種數據傳輸方式如下：

• （1）正常響應方式（Normal Response Mode，NRM）：這種方式適合不平衡配置，主站啓動數據傳輸過程，從站只有收到命令時才能發送數據。
• （2）異步平衡方式（Asynchronous Balanced Mode，ABM）：這種方式適合兩端都是複合站的平衡配置，任何一方都可以啓動數據傳輸。
• （3）異步響應方式（Asynchronous Response Mode，ARM）：這種方式適合不平衡配置，從站在沒有收到主站命令時，就可以啓動數據傳輸服務。 

5. 幀類型

HDLC的幀類型包括以下3種：

（1）信息幀（l幀）。信息幀包含用戶數據、該幀的編號和捎帶的應答序列N（R）。I幀包含一位PF位，主站發出的命令幀是P，即詢問（Polling）；從站發出的響應幀是F位，即終止位（Final）。

在正常響應方式（NRM）下，主站發出的命令幀將PF置l，表示詢問幀，也允許從站發送數據；從站響應主站的詢問，可以發送多個響應幀表示，只將最後一個響應幀的PF置1就表示數據發送完畢。在異步響應方式（ARM）和異步平衡方式（ABM）時，P/F位用於控制U幀和S幀的交換過程。

（2）管理幀（S幀）。管理幀負責流量控制和差錯控制，管理幀有4種，包括接收就緒（RR）、接收未就緒（RNR）、拒絕接收（REJ）和選擇性拒絕接收（SREG）。

S幀的名稱和功能：

（3）無編號幀（U幀）。U幀用於鏈路控制。U幀比較多，按其控制功能可以分爲以下幾類：

• a）設置數據傳輸方式的命令幀和響應幀。
• b）傳輸信息的命令幀和響應幀。
• c）鏈路恢復的命令幀和響應幀。
• d）其他的命令幀和響應幀。

HDLC幀的U幀的類型定義 ：

6. 幀格式

 

（1）幀標誌F。HDLC採用固定的標誌字段01111110作爲幀的邊界。當接收端檢測到一個F標誌時就開始接收幀，在接收的過程中如果發現F標誌就認爲該幀結束了。在傳輸的數據中可能會含有和標誌字段相同的字段，而導致接收端誤以爲數據傳輸結束，爲了防止這種情況的發生，引入了位填充技術。發送站在發送的數據比特序列中一旦發現0後有5個1，就在第7位插入一個0。接收端要進行相反的操作，如果在接收端發現0後面有5個1，則檢查第7位，如果是0，則將0刪除；如果是1並且第8位是0，則認爲是標誌字段F，這樣就保證了數據比特位中不會有和標誌字段相同的字段。

（2）地址字段A。地址字段用在多點鏈路中，它是用來存放從站的地址的。一般的地址字段是8位長，也可以擴展采用更長的地址，但是都是8的整數倍。每一個8位組的最低位表示該8位是否是地址字段的末尾：1表示是最後的8位組；0表示後面還有地址組，其餘的7位表示整個擴展字段。

（3）控制字段C。HDLC定義了3種不同的幀，可以根據控制字段區分，信息幀（l幀）不僅用來傳送數據，而且捎帶流量控制和差錯控制的應答信號。管理幀（S幀）是在不使用捎帶機制的情況下管理幀控制的傳輸過程。無編號幀（U幀）具有各種鏈路的控制功能。控制字段使用前1位或前2位用來區別不同格式的幀，基本控制字段長度是8位。擴展控制字段是16位。

控制字段中傳輸幀的類型用第1位或第1、第2位表示。在HDLC中有三種不同類型的幀，分別是信息幀、監控幀和無編號幀。信息幀對應的第1位爲「0」，監控幀對應的第1位和第2位爲「10」，無編號幀對應的第1位和第2位爲「11」。所有幀的控制字段的第5位都相同，叫做P/F位。 在信息幀中，第2、3、4位表示的N（S）是發送幀的幀序號。第5位P/F是輪詢位，其值爲1時，被輪詢的從站對主站的要求必須給出響應。第6、7、8位表示的N（R）是主站要接收的下一個幀的序號。 在監控幀中，第3、4位表示的是S幀的類型編碼。第5位P/F是輪詢/終止位，其值爲1時，表明了接收方已經確認結束。 在無編號幀中，鏈路的建立、控制和斷等多種功能都由其管控。各種功能由第2、3、4、6、7、8位這五個M位來表示，根據組合計算能夠表示最多32種命令或應答的功能。  

（4）信息字段INFO。I幀和一部分的U幀含有控制字段。這個字段可以包含用戶數據的所有比特序列，長度沒有限制，但在使用時通常限定了長度。

（5）校驗字段FCS。校驗字段包含地址字段、控制字段、信息字段的校驗和，但不包括標誌字段。一般校驗字段使用的是16bit的CRCCCITT標準的校驗序列，也可以使用32bit的CRC-32校驗序列。

7. 協商過程

隨着通信的進步，通信信道的可靠性比過去已經有了非常大的改進。已經沒有必要在數據鏈路層使用很複雜的協議（包括編號、檢錯重傳等技術）來實現數據的可靠傳輸。因此，不可靠傳輸協議PPP已成爲數據鏈路層主流協議，而可靠傳輸責任落到運輸層TCP協議身上。

下面來討論其鏈路協商的過程。

（1）協商建立過程：HDLC每隔10s後互相發送鏈路探測的協商報文，報文的收發順序是由序號決定的，序號失序則造成鏈路中斷。這種用來探詢點到點鏈路是否**狀態的報文稱之爲keepalive報文。

（2）傳輸報文過程：將IP報文封裝在HDLC層上，數據傳輸過程中，仍然進行keep-alive的報文協商以探測鏈路的合法有效。

（3）超時斷連階段：當封裝HDLC的接口連續3次（當接收包速率超過1000packets/s時爲6次），無法收到對方對自己的遞增序號的確認時，HDLC協議Line Protocol由Up向Down轉變。此時鏈路處於癱瘓狀態，數據無法通信。

簡單的說，鏈路處於Down狀態，當設備檢測到載波或網管配置指示物理層可用時，HDLC發送一個UP事件，進入Establish階段。啓動鏈路檢測定時器、初始化超時計數器，通過Keepalive報文交互建立連接，當收到對端鏈路檢測幀時，將鏈路協議UP並進入Maintain階段，鏈路始終處於UP狀態、可承載網絡層報文。