Protokół HDLC

Czym jest HDLC?

High-Level Data Link Control (HDLC) to protokół warstwy łącza danych, czyli warstwy 2 modelu OSI. Określa format ramek i procedury wymiany danych na jednym łączu między urządzeniami, na przykład między routerami po linii dzierżawionej. Zakres niezawodnego dostarczania zależy od użytej klasy procedury i trybu pracy.

Jego głównym celem jest umieszczenie pakietu z warstwy sieci w standardowej strukturze zwanej ramką. Ramka zawiera dane, adres, pole sterujące i sekwencję kontrolną do wykrywania błędów. Procedury HDLC obsługują łącza punkt-punkt i wielopunktowe, a rozwiązania wywodzące się z HDLC wykorzystano między innymi w PPP, Frame Relay i ISDN. Klasa procedury określa między innymi sposób numerowania ramek, potwierdzania oraz obsługi błędów.

Stacje i tryby pracy

Przed analizą ramki trzeba rozróżnić role urządzeń, nazywanych stacjami, oraz tryby pracy łącza HDLC.

Typy stacji

• Stacja pierwotna (primary): Kontroluje działanie łącza, wydaje polecenia, inicjuje transfer danych i obsługuje procedury odzyskiwania po błędach.
• Stacja wtórna (secondary): Działa pod kontrolą stacji pierwotnej. Wysyła odpowiedzi na jej polecenia, a w trybie NRM nadaje po odpytywaniu.
• Stacja połączona (combined): Łączy funkcje stacji pierwotnej i wtórnej. Może wysyłać oraz odbierać polecenia i odpowiedzi, dzięki czemu obie stacje mogą działać jako równorzędni partnerzy.

Tryby pracy

• Tryb normalnej odpowiedzi (NRM, Normal Response Mode): Niezrównoważona konfiguracja dla łączy wielopunktowych. Obejmuje jedną stację pierwotną i co najmniej jedną stację wtórną. Stacja wtórna nadaje dopiero po odpytywaniu, czyli po otrzymaniu pozwolenia od stacji pierwotnej.
• Tryb asynchronicznej odpowiedzi (ARM, Asynchronous Response Mode): Inny tryb niezrównoważony. Pozwala stacji wtórnej inicjować transmisję bez oczekiwania na odpytanie. Stacja pierwotna zachowuje kontrolę nad zestawieniem łącza i procedurami odzyskiwania po błędach.
• Tryb asynchroniczny zrównoważony (ABM, Asynchronous Balanced Mode): Stosuje dwie stacje połączone działające jako równorzędni partnerzy, szczególnie na łączach punkt-punkt. Każda stacja może inicjować transmisję bez osobnego pozwolenia drugiej, co wspiera komunikację pełnodupleksową.

Budowa ramki HDLC

HDLC umieszcza dane i komunikaty kontrolne w określonej strukturze zwanej ramką. Każde pole ma funkcję zdefiniowaną przez wybraną procedurę. Kolejność pól jest stała dla danego formatu, a flagi oddzielają ramki w strumieniu.

• Znacznik (flaga) (8 bitów): Ramka zaczyna się i kończy sekwencją: 01111110. Flaga jest ogranicznikiem, który pozwala wykryć początek i koniec ramki w strumieniu bitów. Jedna flaga może jednocześnie oznaczać koniec jednej ramki i początek następnej.
• Adres (8 lub 16 bitów): W podstawowym formacie pole ma 8 bitów, a format rozszerzony może używać 16 bitów lub większej liczby bitów. Pole identyfikuje stację docelową. Na łączu punkt-punkt może mieć ustaloną wartość, natomiast w konfiguracji wielopunktowej wskazuje jedną ze stacji wtórnych. W procedurach obsługujących rozgłaszanie wartość złożona z samych jedynek może pełnić funkcję adresu rozgłoszeniowego.
• Sterowanie (8 lub 16 bitów): Pole określa funkcję ramki i może zawierać numery sekwencyjne używane do kontroli przepływu oraz błędów. Wyróżnia się ramki informacyjne (I), nadzorcze (S) i nienumerowane (U), rozpoznawane na podstawie początkowych bitów pola.
• Informacja (zmienna długość): Pole przenosi dane z wyższej warstwy, zazwyczaj pakiet z warstwy sieci, na przykład pakiet IP. Występuje w ramkach informacyjnych i w niektórych ramkach nienumerowanych. Długość może zmieniać się do wynegocjowanego maksimum.
• Sekwencja kontrolna ramki (FCS) (16 lub 32 bity): Pole służy do wykrywania błędów. Nadawca oblicza wartość algorytmu CRC dla pól adresu, sterowania i informacji. Odbiorca wykonuje analogiczne obliczenie. Niezgodność wyników oznacza uszkodzenie ramki, która zostaje odrzucona. Długość FCS i użyty wielomian są częścią formatu wybranej procedury.

Wstawianie bitów

Gdy sekwencja znacznika 01111110 pojawi się w danych użytkownika, odbiornik mógłby potraktować ją jako koniec ramki. HDLC stosuje wtedy technikę wstawiania bitów (bit stuffing, zero-bit insertion). Wstawianie dotyczy danych między flagami, więc sam ogranicznik nadal wyznacza granicę ramki.

• Działanie nadawcy: Nadajnik analizuje strumień danych między flagami. Po wykryciu pięciu kolejnych jedynek automatycznie wstawia przed wysłaniem dodatkowy bit 0.
• Działanie odbiorcy: Odbiornik analizuje strumień. Po pięciu kolejnych jedynkach usuwa następujące 0, jeśli należy ono do wstawionych bitów danych. Flagę rozpoznaje jako ogranicznik 01111110 na granicy ramki. Nie usuwa jej końcowego zera jako wstawionego bitu. Inne sekwencje mogą oznaczać przerwanie albo błąd zgodnie z procedurą.

Mechanizm sprawia, że w poprawnie zakodowanych danych sekwencja znacznika nie występuje jako niezamierzony fragment ramki. Odbiornik może zachować przezroczystość danych po usunięciu wstawionych zer.

Pole sterujące i typy ramek

Pole sterujące ma 8 bitów w formacie podstawowym i 16 bitów w formacie rozszerzonym. Jego struktura określa funkcję ramki.