[软考网规考点笔记]-局域网之HDLC 协议

目录

• 一、前言
• 二、HDLC协议与以太网协议的区别
• • [1、HDLC可靠 . 以太网简单高效](#1、HDLC可靠 . 以太网简单高效)
  • [2、 物理层和介质访问不同](#2、 物理层和介质访问不同)
• [三、HDLC 的基本概念](#三、HDLC 的基本概念)
• • [1、 三种类型的站（通信实体）](#1、 三种类型的站（通信实体）)
  • [2、 两种链路配置（连接关系）](#2、 两种链路配置（连接关系）)
  • [3、 三种数据传输方式（通信规则）](#3、 三种数据传输方式（通信规则）)
• [四、HDLC 的帧结构](#四、HDLC 的帧结构)
• • [1. 帧结构](#1. 帧结构)
  • [2. 各字段详解](#2. 各字段详解)
  • 3、关键特点总结
• [五、HDLC 的帧类型](#五、HDLC 的帧类型)
• • [1. 信息帧（I帧）](#1. 信息帧（I帧）)
  • [2. 管理帧（S帧）](#2. 管理帧（S帧）)
  • [3. 无编号帧（U帧）](#3. 无编号帧（U帧）)
  • [4. 总结](#4. 总结)
• [六、HDLC 的操作](#六、HDLC 的操作)
• • [1. HDLC 的操作过程](#1. HDLC 的操作过程)
  • [2. 总结](#2. 总结)
• 七、历年真题

一、前言

HDLC(High Level Data Link Control ，高级数据链路控制） 是一种由国际标准化组织（ISO）制定的面向比特的数据链路层通信协议，主要用于实现可靠的数据传输。

二、HDLC协议与以太网协议的区别

1、HDLC可靠 . 以太网简单高效

• HDLC内置了复杂的可靠传输机制。它通过信息帧（I帧）发送数据，用监控帧（S帧）进行确认和重传请求，用无编号帧（U帧）建立链路。可以说，HDLC自己就能实现类似TCP的可靠传输。
• 以太网采用极简设计，只负责把包发出去，检错但不纠错，错了就丢掉。可靠传输交给了上层的TCP协议。这种各干各事的分层设计，是非常高效和灵活的。

2、 物理层和介质访问不同

• HDLC在同步串行线路上，收发双方必须通过时钟信号保持步调一致，这样才能准确识别比特流。它是点对点的，所以没有抢占的问题，想发就发。
• 早期以太网是共享介质，发数据前要先听线路空不空（CSMA/CD），如果同时发就碰撞了，得随机等一会儿再试。现在的以太网都用交换机实现了全双工，收发可以同时进行，互不干扰，效率大大提升。

三、HDLC 的基本概念

1、 三种类型的站（通信实体）

• 主站：负责控制链路，发出的帧称为命令帧。
• 从站：听从主站控制，发出的帧称为响应帧。
• 复合站：兼具主站和从站功能，既能发命令帧也能发响应帧。

2、 两种链路配置（连接关系）

• 不平衡配置：由一个主站和一个或多个从站组成。

  • 特点：分主从，等级分明。可用于点对点或点对多点。

• 平衡配置：由两个复合站组成。

  • 特点：双方地位平等。仅用于点对点。

3、 三种数据传输方式（通信规则）

• 正常响应方式 (NRM)：
  • 就像领导点名。
  • 适用于不平衡配置。从站必须收到主站询问才能发送数据。适合计算机轮询终端的场景。
  • 应用场景:银行ATM网络、工业控制总线

• 异步平衡方式 (ABM)：
  • 像随时发言。
  • 适用于平衡配置。任一复合站无需对方允许即可开始传输。效率最高，最常用。
  • 应用场景：路由器间的主干链路

• 异步响应方式 (ARM)：
  • 就像员工主动汇报制。
  • 适用于不平衡配置。从站可主动发送数据，但管理权仍在主站。较少使用。
  • 应用场景：少见，如紧急告警系统

四、HDLC 的帧结构

1. 帧结构

HDLC帧由6个字段组成，以标志字段（F）为帧的起止边界：

2. 各字段详解

• 标志字段（F）

  • 固定位模式：01111110
  • 作用：标识帧的开始和结束
  • 透明传输：通过零比特填充防止数据中出现与标志相同的模式。发送端发送数据时，遇到连续5个1后插入一个0；接收端遇到连续5个1后检查第7位，若为0则删除；若为1且第8位为0，则识别为帧尾
    

• 地址字段（A）

  • 标识从站地址，用于点对多点链路
  • 默认8位，支持扩展（8位组整数倍）
  • 每个字节的最低位指示是否为最后一个地址字节（1=结束，0=后续）
  • 全1（11111111）表示广播地址

• 控制字段（C）

  • 区分三种帧类型：

    • 信息帧（I帧）：携带用户数据，同时负责流量控制与差错控制

    • 管理帧（S帧）：提供ARQ控制信息，如确认、重传请求等

    • 无编号帧（U帧）：用于链路建立、释放等管理功能

  • 控制字段第1位或前两位决定帧类型。基本长度8位，支持扩展为16位

• 信息字段（INFO）
  • 仅存在于I帧和部分U帧
  • 包含用户数据，长度不限（受具体实现限制）
• 帧校验序列（FCS）
  • 校验除标志字段外的所有字段
  • 常用16位CRC-CCITT，也可选32位CRC-32

3、关键特点总结

• 统一帧结构：所有帧采用相同格式，便于硬件处理
• 透明传输：零比特填充确保任意数据均可传输
• 扩展能力：地址和控制字段均支持扩展，适应不同网络规模
• 多功能控制：通过控制字段区分信息、管理和无编号帧，实现数据传送、流量控制、链路管理三合

五、HDLC 的帧类型

• HDLC 定义了三种帧类型：信息帧（I帧）、管理帧（S帧） 和 无编号帧（U帧），分别用于数据传输、链路控制和差错/流量控制。

1. 信息帧（I帧）

• 作用：承载用户数据，同时携带发送序号
• 字段：包含发送序号 N(S)、接收序号 N® 以及 P/F 位（主站发送时称 P 位，从站响应时称 F 位）。
• P/F 位的用途：
  • 在正常响应方式（NRM）下，主站将 I 帧的 P 位置 1，表示轮询从站，允许其发送数据；从站以多个 I 帧响应，最后一个 I 帧的 F
    位置 1，表示数据发完。
  • 在异步响应方式（ARM）和异步平衡方式（ABM）下，P/F 位用于管理 S 帧和 U 帧的交换。

2. 管理帧（S帧）

• 作用：进行流量控制和差错控制，当没有足够 I 帧携带控制信息时使用。
• 四种管理帧类型及功能：
  • RR（接收就绪）：肯定应答 N® 之前的帧，并表示准备接收 N® 及后续帧。
  • RNR（接收未就绪）：肯定应答 N® 之前的帧，但拒绝继续接收后续帧。
  • REJ（拒绝）：否定应答，要求重发 N® 及后续帧（后退 N 帧 ARQ）。
  • SREJ（选择性拒绝）：否定应答，要求仅重发 N® 帧（选择重发 ARQ）。
• P/F 位的用途：
  • 主站发送 P=1 的 RR 帧，询问从站是否有数据发送；从站若无数据，则以 F=1 的 RR 响应。
  • 主站发送 P=1 的 RNR 帧，询问从站状态；从站根据自身接收能力，以 F=1 的 RR（就绪）或 RNR（未就绪）响应。

3. 无编号帧（U帧）

• 作用：链路建立、释放、模式设置、复位、测试等管理功能。不包含编号字段，不影响信息流顺序。
• 分类及功能：

  • （1）设置传输方式的命令和响应帧

    • SNRM（命令）：设置为正常响应方式（NRM）。

    • SARM（命令）：设置为异步响应方式（ARM）。

    • SABM（命令）：设置为异步平衡方式（ABM）。

    • SNRME / SARME / SABME（命令）：与上述类似，但使用扩展控制字段（16位）。

    • UA（响应）：对设置方式命令的肯定应答。

    • DM（响应）：非连接方式，表示从站逻辑上断开，拒绝建立指定传输方式。

    • RIM（响应）：请求初始化方式，表示未准备好或正在初始化。

  • （2）链路释放的命令和响应帧

    • DISC（命令）：拆除逻辑连接。

    • RD（响应）：请求拆除连接。

    • UA（响应）：对 DISC 的肯定应答。

  • （3）传输信息的命令和响应帧

    • UI（命令/响应）：无编号信息帧，交换高层信息、状态、链路参数等。

    • UP（命令）：无编号询问，请求接收站返回无编号响应帧以了解状态。

  • （4）链路恢复与复位命令和响应帧

    • FRMR（响应）：帧拒绝响应，报告接收到的帧有错误（如无效控制字段、帧太长、无效序号等）。

    • RSET（命令）：复位命令，重置发送和接收序号。

  • （5）其他命令和响应帧

    • XID（命令/响应）：交换标识和状态信息。

    • TEST（命令/响应）：测试链路和接收站工作状态，收到后应以 TEST 帧响应。

4. 总结

• 信息帧（I 帧）：主要用途是传输用户数据，附带流量/差错控制；携带序号；典型应用为正常数据交换。
• 管理帧（S 帧）：主要用途是纯粹的流量控制和 ARQ 控制；携带序号；典型应用为确认、拒绝、忙/闲指示。
• 无编号帧（U 帧）：主要用途是链路管理、模式设置、复位、测试；不携带序号；典型应用为建立连接、释放连接、异常恢复。

六、HDLC 的操作

• HDLC 协议通过多种命令和响应的组合实现链路管理、数据传输、流量控制和差错恢复。以下结合典型操作场景总结其工作过程。
• I(n, m)：信息帧，n 为发送序号 N(S)，m 为接收序号 N®。
• 管理帧名后数字：表示该帧中的 N® 值。
• P/F：表示该帧的 P/F 位置 1；未标注则置 0。

1. HDLC 的操作过程

• 1. 链路的建立与拆除

  • 建立过程

    • A 站发送 SABM 命令（设置异步平衡方式），启动定时器。

    • B 站收到后以 UA 响应，并初始化局部变量和计数器。

    • A 站收到 UA 后停止定时器，完成链路建立。

    • 若超时未收到应答，A 站重发 SABM；多次失败后向上层报告连接失败。

  • 拆除过程

    • 任一方发送 DISC 命令，对方以 UA 响应，链路释放。

    • 若 B 站拒绝建立（如逻辑断开），则响应 DM，A 站放弃连接。

• 2. 双向数据交换（全双工）

  • 双方可同时发送信息帧（I 帧），每个 I 帧携带自己的发送序号 N(S) 和对对方帧的确认序号 N®。

  • 累积确认：一个确认可一次应答多个已接收帧。

    • 例如，A 发送 I(0,0) 和 I(1,0) 给 B，B 收到后发 I(0,2) 给 A，其中 N®=2 表示已正确接收 A 的 0 号和 1 号帧。

  • 当一方无数据发送时，使用管理帧（如 RR）携带确认信息，维持链路状态。

• 3. 接收站忙

  • 原因：接收缓冲区满或上层处理不及时。

  • 处理：接收站发送 RNR 帧，告知对方暂停发送，并指明已正确接收的最后一个帧序号。

  • 恢复：发送站定时发送 P=1 的 RNR 命令轮询接收站状态。

  • 若接收站仍忙，以 F=1 的 RNR 响应；

  • 若忙状态解除，以 F=1 的 RR 响应，数据传输从断点恢复。

• 4. 后退重发（REJ）

  • 场景：接收站检测到 I 帧出错（如帧校验错误）。

  • 处理：接收站发送 REJ 命令，指明要求重发的起始序号。

  • 发送站响应：从该序号开始重发所有未确认的帧（后退 N 帧 ARQ）。

• 5. 超时重发

  • 场景：某帧在传输中丢失，接收站无法检测（如整帧丢失，无法发出 REJ）。

  • 处理：发送站启动定时器，超时后发送 P=1 的 RR 或 RNR 轮询对方。

  • 接收站响应：以 RR 帧回应当前期望接收的序号，发送站从该序号开始重发。
    

2. 总结

• HDLC 的操作覆盖了连接管理、数据传送、流量控制和差错恢复的全过程。
• 通过 SABM/DISC 控制连接
• 利用 I 帧与 RR/RNR 实现流量控制
• 依靠 REJ 或超时机制保证可靠传输，
• 这些机制共同构成了 HDLC 高效且可靠的链路层协议。

七、历年真题

• 2020年-第17题

题目： 以下关于HDLC协议的叙述中，错误的是（ ）。

备选答案：

A. 接收器收到一个正确的信息帧，若顺序号在接收窗口内，则可发回确认帧

B. 发送器每接收到一个确认，就把窗口向前滑动到确认序号处

C. 如果信息帧的控制字段是8位，则发送顺序号的取值范围是0-127

D. 信息帧和管理帧的控制字段都包含确认顺序号

正确答案： C

解析： 本题考察HDLC协议的帧结构与窗口机制。信息帧（I帧）和管理帧（S帧）的控制字段中都包含确认序号 N®。当控制字段为8位时，用于存放发送序号 N(S) 和接收序号 N® 的字段各占3位（另有2位用于类型标识和P/F位），因此序号的取值范围是0-7，而非0-127。0-127是16位扩展控制字段下的取值范围。

• 2021年-第14题

题目： HDLC协议中采用比特填充技术的目的是（ ）。

备选答案：

A. 避免帧内部出现01111110序列时被当作标志字段处理

B. 填充数据字段，使帧的长度不小于最小帧长

C. 填充数据字段，匹配高层业务速率

D. 满足同步时分多路复用需求

正确答案： A

解析： 本题考察HDLC的零比特填充机制。HDLC使用特殊的位模式 01111110 作为帧的起始和结束标志。为防止数据字段中出现相同的模式而被误认为是帧边界，发送端在数据中每遇到连续5个"1"就插入一个"0"，接收端再删除这个填充的"0"，从而实现数据的透明传输。

• 2015年-第18题

题目： 拨号连接封装类型的开放标准是（ ）。

备选答案：

A. SLIP

B. CHAP

C. PPP

D. HDLC

正确答案： C

解析： 本题考察拨号连接的封装协议。SLIP（串行线路网际协议）是早期的封装协议，但非开放标准。CHAP是PPP中的认证协议。PPP（点对点协议）是广泛采用的拨号连接封装开放标准，支持多种网络层协议。HDLC虽可用于串行链路，但并非专为拨号连接设计的开放标准，且其应用场景更多样。

• 2017年-第16题

题目： 站点 A 与站点 B 采用 HDLC 进行通信，数据传输过程如下图所示。建立连接的 SABME 帧是（ ）。

备选答案：

A. 数据帧

B. 监控帧

C. 无编号帧

D. 混合帧

正确答案： C

解析： 本题考察HDLC的帧类型。SABME（置异步平衡方式扩展）帧是用于链路建立、模式设置的无编号帧（U帧），其控制字段不包含序号，用于链路管理功能。信息帧（I帧）承载用户数据，监控帧（S帧）用于流量控制和差错控制。

• 2018年-第11题

题目： 关于HDLC协议的帧顺序控制，下列说法中正确的是（ ）。

备选答案：

A. 只有信息帧（I）可以发送数据

B. 信息帧（I）和管理帧（S）的控制字段都包含发送顺序号和接收序列号

C. 如果信息帧（I）的控制字段是8位，则发送顺序号的取值范围是0~7

D. 发送器每收到一个确认帧，就把窗口向前滑动一格

正确答案： C

解析： 本题考察HDLC的帧结构与窗口机制。信息帧（I帧）控制字段包含发送序号 N(S) 和接收序号 N®，管理帧（S帧）只包含接收序号

N®，不包含发送序号。当控制字段为8位时，N(S) 和 N® 各占3位，取值范围为0-7。滑动窗口机制是每收到一个确认（确认号N®），窗口向前滑动到该序号位置，而非"一格"。只有信息帧（I帧）可以发送用户数据，但无编号帧（U帧）也可用于发送少量控制信息。