Уровень канала передачи данных - Data link layer

Модель OSI
по слоям
7.  Прикладной уровень
6.  Уровень представления
5.  Сессионный уровень
4.  Транспортный уровень
3.  Сетевой уровень
2.  Уровень канала передачи данных
1.  Физический уровень

Канальный уровень , или слой 2 , второй слой из семи слоев OSI модели в области компьютерных сетей . Этот уровень является уровнем протокола, который передает данные между узлами в сегменте сети на физическом уровне . Уровень канала данных предоставляет функциональные и процедурные средства для передачи данных между сетевыми объектами, а также может предоставлять средства для обнаружения и, возможно, исправления ошибок, которые могут возникать на физическом уровне.

Уровень канала данных связан с локальной доставкой кадров между узлами на одном уровне сети. Кадры канала передачи данных, как называются эти блоки данных протокола , не пересекают границы локальной сети. Межсетевая маршрутизация и глобальная адресация - это функции более высокого уровня, позволяющие протоколам передачи данных сосредоточиться на локальной доставке, адресации и арбитраже мультимедиа. Таким образом, уровень канала передачи данных аналогичен районному гаишнику; он стремится к арбитражу между сторонами, борющимися за доступ к среде, не заботясь об их конечном пункте назначения. Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают конфликты кадров. Протоколы канала передачи данных определяют, как устройства обнаруживают такие конфликты и восстанавливаются после них, и могут предоставлять механизмы для их уменьшения или предотвращения.

Примерами протоколов передачи данных являются Ethernet , протокол точка-точка (PPP), HDLC и ADCCP . В пакете Интернет-протоколов (TCP / IP) функциональные возможности канального уровня содержатся в канальном уровне , самом нижнем уровне описательной модели, который, как предполагается, не зависит от физической инфраструктуры.

Функция

Канал передачи данных обеспечивает передачу кадров данных между хостами, подключенными к физическому каналу. В рамках семантики сетевой архитектуры OSI протоколы уровня канала передачи данных отвечают на запросы услуг от сетевого уровня и выполняют свою функцию, отправляя запросы на обслуживание на физический уровень . Этот перевод может быть надежным или ненадежным ; многие протоколы канала передачи данных не имеют подтверждений успешного приема и принятия кадра, а некоторые протоколы канала передачи данных могут даже не выполнять никаких проверок на наличие ошибок передачи. В таких случаях протоколы более высокого уровня должны обеспечивать управление потоком , проверку ошибок, подтверждения и повторную передачу.

Заголовок кадра содержит адреса источника и назначения, которые указывают, какое устройство создало кадр и какое устройство должно его получить и обработать. В отличие от иерархических и маршрутизируемых адресов сетевого уровня, адреса уровня 2 являются плоскими, что означает, что никакая часть адреса не может использоваться для идентификации логической или физической группы, к которой принадлежит адрес.

В некоторых сетях, таких как локальные сети IEEE 802 , уровень канала данных описывается более подробно с подуровнями управления доступом к среде (MAC) и управления логическим каналом (LLC); это означает, что протокол IEEE 802.2 LLC может использоваться со всеми уровнями MAC IEEE 802, такими как Ethernet, Token Ring , IEEE 802.11 и т. д., а также с некоторыми уровнями MAC, отличными от 802, такими как FDDI . Другие протоколы канального уровня, такие как HDLC , указаны для включения обоих подуровней, хотя некоторые другие протоколы, такие как Cisco HDLC , используют кадрирование низкого уровня HDLC в качестве уровня MAC в сочетании с другим уровнем LLC. В стандарте ITU-T G.hn , который обеспечивает способ создания высокоскоростной (до 1 Гбит / с) локальной сети с использованием существующей домашней проводки ( линии электропередач , телефонные линии и коаксиальные кабели ), уровень канала передачи данных разделен на три подуровня (конвергенция прикладных протоколов, управление логическим каналом и управление доступом к среде).

Подслои

Уровень канала передачи данных часто делится на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде передачи (MAC).

Подуровень управления логической связью

Самый верхний подуровень, LLC, мультиплексирует протоколы, работающие на верхнем уровне уровня канала данных, и дополнительно обеспечивает управление потоком, подтверждение и уведомление об ошибках. ООО обеспечивает адресацию и управление каналом передачи данных. Он определяет, какие механизмы должны использоваться для адресации станций через среду передачи и для управления данными, которыми обмениваются машины отправителя и получателя.

Подуровень управления доступом к среде

MAC может относиться к подуровню, который определяет, кому разрешен доступ к носителю в любой момент (например, CSMA / CD ). В других случаях это относится к структуре кадра, доставляемой на основе MAC-адресов внутри.

Обычно существует две формы управления доступом к среде: распределенная и централизованная. И то, и другое можно сравнить с общением между людьми. В сети, состоящей из людей, говорящих, то есть в разговоре, каждый из них будет делать паузу на случайное время, а затем пытаться говорить снова, эффективно создавая долгую и сложную игру «нет, сначала ты».

Подуровень управления доступом к среде также выполняет синхронизацию кадров , которая определяет начало и конец каждого кадра данных в потоке битов передачи . Это влечет за собой один из нескольких методов: обнаружение на основе времени, подсчет символов, заполнение байтов и заполнение битов.

  • Подход, основанный на времени, предполагает определенный промежуток времени между кадрами.
  • Подсчет символов отслеживает количество оставшихся символов в заголовке кадра. Однако этот метод легко нарушить, если это поле повреждено.
  • Заполнение байтов предшествует кадру специальной последовательностью байтов, такой как DLE STX, и следует за ней с помощью DLE ETX . Появления DLE (байтовое значение 0x10) необходимо экранировать с помощью другого DLE. Метки начала и остановки обнаруживаются на приемнике и удаляются вместе с вставленными символами DLE.
  • Точно так же вставка битов заменяет эти начальные и конечные метки на флаги, состоящие из специального битового шаблона (например, 0, шесть 1 бит и 0). Появление этой битовой комбинации в передаваемых данных предотвращается путем вставки бита. Чтобы использовать пример с флагом 01111110, 0 вставляется после 5 последовательных 1 в потоке данных. Флаги и вставленные 0 удаляются на принимающей стороне. Это делает кадры произвольной длины и упрощает синхронизацию для получателя. Заполненный бит добавляется, даже если следующий бит данных равен 0, что не может быть ошибочно принято за последовательность синхронизации , так что приемник может однозначно отличить заполненные биты от нормальных битов.

Услуги

На уровне канала передачи данных предоставляются следующие услуги:

Обнаружение и исправление ошибок

В дополнение к кадрированию уровень канала данных также может обнаруживать ошибки передачи и восстанавливаться после них. Чтобы получатель мог обнаружить ошибки передачи, отправитель должен добавить избыточную информацию в виде кода обнаружения ошибок в отправленный кадр. Когда приемник получает кадр, он проверяет, соответствует ли полученный код обнаружения ошибок повторно вычисленному коду обнаружения ошибок.

Код обнаружения ошибок может быть определен как функция, которая вычисляет r (количество избыточных битов), соответствующее каждой строке из N общего количества битов. Самый простой код обнаружения ошибок - это бит четности , который позволяет приемнику обнаруживать ошибки передачи, которые затронули один бит из переданных N + r битов. Если имеется несколько перевернутых битов, метод проверки может не обнаружить это на стороне приемника. Существуют более продвинутые методы, чем обнаружение ошибок четности, обеспечивающие более высокие уровни качества и функций.

ЧАС E L L О
8 5 12 12 15

Простым примером того, как это работает с использованием метаданных, является передача слова «ПРИВЕТ» путем кодирования каждой буквы как ее позиции в алфавите. Таким образом, буква A кодируется как 1, B как 2 и так далее, как показано в таблице справа. Сложение полученных чисел дает 8 + 5 + 12 + 12 + 15 = 52, а 5 + 2 = 7 вычисляет метаданные. Наконец, передается последовательность номеров «8 5 12 12 15 7», которую приемник увидит на своем конце, если нет ошибок передачи. Получатель знает, что последнее полученное число - это метаданные для обнаружения ошибок, а все предыдущие данные - это сообщение, поэтому получатель может пересчитать приведенную выше математику и, если метаданные совпадают, можно сделать вывод, что данные были получены без ошибок. Однако, если получатель видит что-то вроде последовательности «7 5 12 12 15 7» (первый элемент изменен из-за некоторой ошибки), он может запустить проверку, вычислив 7 + 5 + 12 + 12 + 15 = 51 и 5 + 1 = 6, и отклонить полученные данные как дефектные, так как 6 не равно 7.

Более сложные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок предназначены для снижения риска того, что множественные ошибки передачи данных могут нейтрализовать друг друга и остаться незамеченными. Алгоритм, который может даже определить, были ли получены правильные байты, но не по порядку, - это проверка циклическим избыточным кодом или CRC. Этот алгоритм часто используется на уровне канала передачи данных.

Примеры протоколов

Смотрите также: Независимость битовой последовательности

Отношение к модели TCP / IP

Набор интернет-протоколов
Уровень приложения
Транспортный уровень
Интернет-уровень
Связующий слой

В пакете Интернет-протоколов (TCP / IP) функциональные возможности канального уровня OSI содержатся на самом нижнем уровне - канальном уровне . Канальный уровень TCP / IP имеет рабочую область связи, к которой подключен хост, и занимается только аппаратными проблемами, вплоть до получения аппаратных (MAC) адресов для определения местоположения хостов в канале и передачи кадров данных по каналу. Функциональность канального уровня была описана в RFC 1122 и определяется иначе, чем канальный уровень OSI, и охватывает все методы, которые влияют на локальную связь.

Модель TCP / IP не является исчерпывающим руководством по проектированию сетей сверху вниз. Он был сформулирован с целью иллюстрации логических групп и объемов функций, необходимых при разработке набора межсетевых протоколов TCP / IP, необходимых для работы в Интернете. В общем, следует избегать прямого или строгого сравнения моделей OSI и TCP / IP, потому что разделение на уровни в TCP / IP не является основным критерием проектирования и, как правило, считается «вредным» (RFC 3439). В частности, TCP / IP не диктует строгую иерархическую последовательность требований инкапсуляции, как это приписывается протоколам OSI.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки