Lapisan data link (data link layer) merupakan lapisan kedua dalam standar OSI. Tugas utama data link layer adalah memberikan fasilitas transmisi raw data dan melakukan transformasi data tersebut ke saluran yang bebas dari kesalahan transmisi. Sebelum diteruskan ke network layer, data link layer melaksanakan tugas ini dengan memungkinkan pengirim memecah data masukan menjadi sejumlah data frame. Kemudian data link layer mengirimkan frame tersebut secara berurutan dan memberikan respon terhadap frame acknowledgement (ACK) yang dikirim kembali oleh penerima. Karena lapisan fisik menerima dan mengirim aliran bit tanpa mengindahkan arti atau arsitektur frame, maka tugas pada data link layer menjadi bertambah. Tugas tersebut adalah membuat dan mengenali batas-batas frame itu. Lapisan data link adalah lapisan kedua dari bawah dalam model OSI, yang dapat melakukan konversi frame-frame jaringan yang berisi data menjadi bit-bit mentah agar dapat diproses oleh lapisan fisik. Lapisan ini merupakan lapisan yang akan melakukan transmisi data antara perangkat-perangkat jaringan di dalam sebuah wide area network (WAN), atau antara node di dalam sebuah segmen local area network (LAN) yang sama. Lapisan ini bertanggung jawab dalam membuat frame, flow control, koreksi kesalahan dan pengiriman ulang terhadap frame yang dianggap gagal.
Terjadinya noise pada saluran data dapat merusak frame. Perangkat lunak lapisan data link pada mesin pengirim dapat mengirim kembali frame yang rusak tersebut. Akan tetapi transmisi frame yang sama secara berulang-ulang menimbulkan duplikasi frame. Masalah-masalah lain yang timbul pada lapisan data-link adalah mengusahakan kelancaran proses pengiriman data dari pengirim yang cepat ke penerima yang lambat. Mekanisme pengaturan lalu-lintas data harus memungkinkan pengirim mengetahui jumlah ruang bufer yang dimiliki penerima pada suatu waktu tertentu. Pengaturan aliran data dan penanganan error dilakukan secara ter-integrasi. Saluran yang dapat mengirim data pada kedua arah juga bisa menimbulkan masalah. Sehingga dengan demikian perlu dijadikan bahan pertimbangan bagi lapisan data-link. Masalah yang dapat timbul adalah bahwa frame-frame ACK yang mengalir dari A ke B bersaing saling mendahului dengan aliran dari B ke A. Lapisan data link terdiri dari dua sub layer, yaitu Logical Link Control (LLC) Dan Medium Access Control (MAC). Fungsi LLC adalah melakukan pemeriksaan kesalahan dan menangani transmisi frame. Sedangkan fungsi dari MAC adalah berurusan dengan mengambil dan melepaskan data dari dan ke kabel sekaligus menentukan protokol untuk akses ke kabel. Dengan adanya protokol yang mengatur proses pengiriman data penerima dengan kecepatan lambat tidak membanjiri bufer yang disebabkan oleh pengiriman data yang cepat.
Ethernet mengirimkan data melalui kabel jaringan dalam bentuk paket-paket data yang disebut dengan Ethernet Frame. Sebuah Ethernet frame memiliki ukuran minimum 64 byte, dan maksimum 1518 byte dengan 18 byte di antaranya digunakan sebagai informasi mengenai alamat sumber, alamat tujuan, protokol jaringan yang digunakan, dan beberapa informasi lainnya yang disimpan dalam header dan footer. Dengan kata lain, maksimum jumlah data yang dapat dikirimkan (payload) dalam satu buah frame adalah 1500 byte. Jenis-jenis frame Ethernet dapat dibedakan menjadi empat, yaitu: Ethernet II, Ethernet 802.3, Ethernet 802.2 dan Ethernet SNAP. Ethernet II digunakan pada jaringan TCP/IP. Ethernet 802.3 atau dikenal sebagai Raw 802.3 dalam sistem jaringan Novell, dan digunakan untuk komunikasi dengan Novell NetWare versi 3.11 atau sebelumnya. Ethernet 802.2 juga dikenal sebagai Ethernet 802.3/802.2 without Subnetwork Access Protocol. Protokol tersebut digunakan untuk media koneksi dengan Novell NetWare versi 3.12 dan selanjutnya. Ethernet SNAP juga dikenal sebagai Ethernet 802.3/802.2 with SNAP. SNAP dibuat agar tercipta kompatibilitas sistem Macintosh yang menggunakan TCP/IP. Contoh protokol yang berhubungan dengan layanan data-link antara lain adalah IEEE 802, IEEE 802.1, IEEE 802.2, Media Access Control, IEEE 802.3, IEEE 802.4 Token Bus, IEEE 802.5, IEEE 802.12, ISO 2110 dan ISDN.
Data link layer dapat dirancang sehingga mampu memberikan bermacam-macam layanan. Tiga layanan yang disediakan pada lapisan data-link adalah Layanan Unacknowledged Connectionsless, Layanan Acknowledged Connectionless dan Layanan Acknowledged Connection-oriented. Pada Layanan Unacknowledged Connectionsless komputer sumber mengirimkan sejumlah frame ke komputer lain yang dituju dengan tidak memberikan ACK. Bila sebuah frame hilang karena adanya noise, maka tidak ada usaha untuk memperbaiki masalah tersebut di lapisan data-link. Sebagian besar LAN menggunakan layanan unacknowledgement connectionless pada lapisan data-link. Pada layanan jenis Layanan Acknowledged Connectionless setiap frame dikirim secara independen dan secara acknowledged. Pengirim akan mengetahui apakah frame yang dikirim ke komputer tujuan telah diterima dengan baik atau tidak. Bila ternyata belum tiba pada interval waktu yang telah ditentukan maka frame akan dikirimkan kembali. Layanan ini sangat berguna untuk saluran unreliable seperti sistem wireless. Layanan jenis Acknowledged Connection-oriented merupakan layanan yang paling canggih dari semua layanan yang disediakan lapisan data-link. Pada layanan ini, komputer sumber dan komputer tujuan membuat koneksi sebelum memindahkan data. Layanan ini menjamin bahwa setiap frame yang diterima benar-benar hanya sekali dan semua frame diterima dalam urutan yang benar.
Pada saat layanan connection oriented dipakai, pemindahan data mengalami tiga fase. Pada fase pertama koneksi ditentukan dengan membuat kedua komputer melakukan inisialisasi variabel-variabel dan counter-counter yang diperlukan untuk memonitor frame yang telah diterima dan yang belum. Dalam fase kedua, satu frame atau lebih mulai dikirimkan. Pada fase ketiga, koneksi dilepaskan, pembebasan variabel, bufer dan sumber daya yang lain yang dipakai untuk menjaga berlangsungnya koneksi. Untuk melayani network layer, lapisan data-link harus menggunakan layanan yang disediakan oleh lapisan fisik. Hal-hal yang dilakukan lapisan fisik adalah menerima aliran raw bit dan berusaha mengirimkannya ke tujuan. Aliran bit ini tidak di jamin bebas dari error. Bila diperlukan, lapisan data-link bertanggung jawab untuk pendeteksian dan memperbaiki error tersebut. Pendekatan yang umum dipakai adalah lapisan data-link memecahkan aliran bit menjadi frame-frame dan menghitung checksum setiap frame-nya. Untuk memecah-mecahkan aliran bit ini, digunakan metode-metode khusus. Ada empat buah metode yang dipakai dalam pemecahan bit menjadi frame. Keempat metode tersebut bernama Karakter penghitung, Pemberian karakter awal dan akhir, Pemberian flag awal dan akhir dan Pelanggaran pengkodean Physical layer.
Paket data dari lapisan jaringan akan dikirimkan dari host sumber ke host tujuan melewati jaringan fisik yang berbeda-beda. Bentuk media dari jaringan fisik tersebut adalah copper wires, microwave, optical fiber dan satellite link. Sebelum dikirimkan, data dibagi menjadi paket berukuran kecil karena jaringan tertentu hanya dapat menerima paket dengan panjang tertentu, jenis flow control tertentu akan efisien jika data di bagi dalam paket-paket kecil dan agar jaringan tidak didominasi oleh pengguna tertentu. Lapisan Data-link melaksanakan dua layanan dasar, yaitu membiarkan lapisan di atasnya mengakses media dengan menggunakan teknik seperti framing dan mengendalikan bagaimana data tersebut diletakkan pada media sekaligus menerimanya dari media fisik. Contoh perangkat keras yang menggunakan prinsip data-link adalah bridge atau switch layer 2 untuk membuat segmen LAN. Dengan adanya segmentasi jumlah collision atau tabrakan data yang terjadi pada jaringan dapat dikurangi dengan efektif. Karena jaringan terus berkembang dan menjadi semakin kompleks, hub dan repeater tidak lagi cocok digunakan. Switch layer 2 sebenarnya adalah bridge multi-port, oleh karena itu switch layer 2 memiliki fungsi-fungsi yang sama dengan bridge.