数据链路层是计算机网络体系结构中的第二层，位于物理层之上、网络层之下。它负责在相邻节点（通常指同一物理链路直接相连的两个设备，如主机与交换机、交换机与交换机）之间提供可靠的数据传输服务。数据链路层的核心功能可以概括为三大控制：帧同步控制、差错控制、流量控制，并通过一系列协议来实现这些功能。
一、数据链路层的核心控制功能
1. 帧同步控制
物理层以比特流的形式传输原始数据，数据链路层需要将这些比特流组织成有意义的逻辑单元——帧。帧同步的目的是让接收方能准确识别出一个帧的开始和结束位置。常见的帧同步方法有：
- 字符计数法：在帧头部使用一个特定字段标明帧内的字符数。
- 字符填充的首尾定界符法：使用特定的字符（如STX、ETX）作为帧的起始和结束标志，若数据中出现相同字符，则通过填充转义字符（如DLE）来区分。
- 比特填充的首尾标志法：这是最常用的方法，如HDLC协议采用特殊的比特模式“01111110”作为帧的起始和结束标志。为确保数据中不出现该标志，发送方在连续5个“1”后自动插入一个“0”，接收方则删除该“0”，从而实现透明传输。
- 物理层编码违禁法：利用物理层编码中不会出现的特定信号来标识帧边界。
2. 差错控制
由于信道噪声、干扰等因素，数据传输过程中可能出现比特错误。数据链路层的差错控制主要确保帧的可靠传输。主要技术包括：
- 检错编码：通过在数据后添加冗余校验码（如循环冗余校验CRC），接收方通过计算判断帧是否出错。若出错，通常丢弃该帧并要求重传。它实现简单，效率高，是主要应用方式。
- 纠错编码：除了检错，还能自动纠正一定范围内的错误（如前向纠错FEC），但实现复杂，冗余开销大，多用于无线通信等重传代价高的场景。
- 自动重传请求（ARQ）：与检错编码结合，通过确认（ACK）和否认（NAK）机制、超时重传等，确保出错或丢失的帧能被重传。常见协议有停-等ARQ、后退N帧ARQ（GBN）和选择重传ARQ（SR）。
3. 流量控制
协调发送方和接收方的工作速度，防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出和数据丢失。数据链路层的流量控制通常是点对点的。主要方法有：
- 停止-等待协议：发送方每发送一帧，必须等待接收方的确认帧（ACK）后，才能发送下一帧。简单但信道利用率低。
- 滑动窗口协议：这是最核心、最高效的流量控制（兼差错控制）机制。发送方和接收方各自维护一个发送/接收窗口，窗口大小决定了在未收到确认前可以连续发送的帧数。它充分利用了链路带宽，GBN和SR都是基于滑动窗口的ARQ协议。
二、典型的数据链路层协议
1. 高级数据链路控制（HDLC）
由ISO制定的面向比特的同步数据链路层协议，是许多其他协议的基础。它采用统一的帧格式（标志域F、地址域A、控制域C、信息域I、帧校验序列FCS），支持全双工通信，可靠性高，广泛应用于广域网设备间的点对点链路。
2. 点对点协议（PPP）
目前应用最广泛的点对点数据链路层协议，常用于家庭拨号、ADSL、路由器之间的广域网连接等。特点包括：
- 简单：提供不可靠的数据报服务（检错但不纠错，无序号和确认机制）。
- 封装成帧：使用字节填充法界定帧。
- 透明性：可传输任意网络层协议的数据包。
- 多种网络层协议：通过协议字段标识上层协议。
- 差错检测：使用CRC检错，丢弃错误帧。
- 连接活性检测：链路控制协议（LCP）用于建立、配置和测试数据链路连接。
- 网络层地址协商：网络控制协议（NCP）用于为两端分配IP地址等参数。
3. 以太网协议（IEEE 802.3）
虽然严格来说，以太网涵盖了物理层和数据链路层（分为MAC子层和LLC子层），但其在数据链路层的核心是媒体访问控制（MAC）协议——带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）。该协议用于解决共享信道（如传统总线型以太网）的多点接入和竞争问题。其工作原理可概括为“先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发”。随着交换式全双工以太网的普及，CSMA/CD在点对点链路中已基本不再使用，但MAC帧格式（包含源/目的MAC地址、类型/长度、数据、FCS）依然是局域网通信的基础。
总结
数据链路层通过精密的控制机制和协议，将物理层可能出错的原始比特流，转变为在网络层看来近乎可靠的、以帧为单位的逻辑传输链路。理解帧同步、差错控制和流量控制（尤其是滑动窗口协议）的原理，以及掌握PPP、以太网MAC等关键协议，是深入理解计算机网络数据流动和网络设备工作原理的基石。随着技术发展，虽然一些传统控制机制（如共享式以太网的CSMA/CD）的应用场景在变化，但其设计思想依然深刻影响着现代网络技术。
