Уровень канала передачи данных

Уровень канала передачи данных , или уровень 2 , является вторым уровнем семиуровневой модели OSI компьютерной сети . Этот уровень представляет собой уровень протокола, который передает данные между узлами сегмента сети через физический уровень . ^[2] Уровень канала передачи 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 возникнуть на физическом уровне.

Уровень канала передачи данных занимается 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 являются функциями более высокого уровня, позволяющими протоколам каналов передачи данных сосредоточиться на локальной доставке, адресации и медиа-арбитраже. Таким образом, уровень канала передачи данных аналогичен районному гаишнику; он пытается выступить в качестве арбитра между сторонами, борющимися за доступ к средству массовой информации, не заботясь об их конечном пункте назначения. Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы каналов передачи данных определяют, как устройства обнаруживают такие коллизии и восстанавливаются после них, а также могут предоставлять механизмы для их уменьшения или предотвращения.

Примерами протоколов каналов передачи данных являются Ethernet , протоколы Wi-Fi IEEE 802.11 , ATM и Frame Relay . В наборе протоколов Интернета (TCP/IP) функциональность канального уровня содержится на канальном уровне , самом нижнем уровне описательной модели, который считается независимым от физической инфраструктуры.

Функция [ править ]

Канал передачи данных обеспечивает передачу кадров данных между хостами, подключенными к физическому каналу. В рамках семантики сетевой архитектуры OSI протоколы канального уровня отвечают на запросы обслуживания от сетевого уровня и выполняют свою функцию, выдавая запросы обслуживания на физический уровень . Эта передача может быть надежной или ненадежной ; многие протоколы каналов передачи данных не имеют подтверждений успешного приема и принятия кадров, а некоторые протоколы каналов передачи данных могут даже не выполнять никакой проверки на наличие ошибок передачи. В этих 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 передачи данных описывается более подробно с помощью подуровней управления доступом к среде передачи (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 , включают оба подуровня, хотя некоторые другие протоколы, такие как Cisco HDLC , используют низкоуровневую структуру HDLC в качестве уровня MAC в сочетании с другим уровнем LLC. В стандарте ITU-T G.hn , который обеспечивает возможность создания высокоскоростной (до 1 Гигабит/с) локальной сети с использованием существующей домашней проводки ( линии электропередачи , телефонные линии и коаксиальные кабели ), канальный уровень разделен на три подуровня (конвергенция протоколов приложений, управление логическим каналом и управление доступом к среде передачи).

Подслои [ править ]

Уровень канала передачи данных часто делится на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде передачи (MAC). ^[3]

Подуровень управления логическими связями [ править ]

Самый верхний подуровень, LLC, мультиплексирует протоколы, работающие на верхнем уровне канала передачи 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 в среде передачи и для управления данными, которыми обмениваются машины отправителя и получателя.

Подуровень контроля доступа к среде передачи данных [ править ]

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

Обычно существует две формы контроля доступа к среде передачи данных: распределенная и централизованная. ^[4] И то, и другое можно сравнить с общением между людьми. В сети, состоящей из говорящих людей, то есть в разговоре, каждый из них делает паузу на случайное время, а затем пытается заговорить снова, фактически создавая долгую и сложную игру, в которой говорят «нет, сначала ты».

Подуровень управления доступом к среде передачи также выполняет синхронизацию кадров , которая определяет начало и конец каждого кадра данных в потоке битов передачи . Он включает в себя один из нескольких методов: обнаружение по времени, подсчет символов, вставка байтов и вставка 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.
Вставка байтов предшествует кадру специальной последовательностью байтов, такой как DLE STX , и следует за ней DLE ETX . Появления DLE (значение байта 0x10) необходимо экранировать другим DLE. Метки начала и остановки обнаруживаются на приемнике и удаляются вместе с вставленными символами DLE.
Аналогичным образом, при заполнении битов эти начальные и конечные метки заменяются флагами, состоящими из специальной битовой комбинации (например, 0, шесть битов 1 и 0). Появлений этого битового шаблона в передаваемых данных можно избежать путем вставки бита. Если использовать пример, где флаг равен 01111110, 0 вставляется после 5 последовательных единиц в потоке данных. Флаги и вставленные нули удаляются на принимающей стороне. Это обеспечивает произвольные длинные кадры и упрощает синхронизацию для получателя. Заполненный бит добавляется, даже если следующий бит данных равен 0, что нельзя принять за синхронизирующую последовательность , чтобы приемник мог однозначно отличать заполненные биты от обычных битов.

Услуги [ править ]

На уровне канала передачи данных предоставляются следующие услуги:

Инкапсуляция пакетов данных сетевого уровня в кадры
Синхронизация кадров
На подуровне управления логическим каналом (LLC):
- Контроль ошибок ( автоматический запрос повторения , ARQ), в дополнение к ARQ, предоставляемому некоторыми протоколами транспортного уровня , для пересылки методов исправления ошибок (FEC), предоставляемых на физическом уровне , а также для обнаружения ошибок и отмены пакетов, предоставляемых на всех уровнях, включая сетевой уровень . Контроль ошибок на уровне канала передачи данных (т. е. повторная передача ошибочных пакетов) обеспечивается в беспроводных сетях и модемах телефонных сетей V.42 , но не в протоколах локальных сетей, таких как Ethernet , поскольку битовые ошибки очень редки в коротких проводах. В этом случае только обнаружение ошибок и отмена ошибочных пакетов. обеспечивается
- Управление потоком , в дополнение к тому, которое предусмотрено на транспортном уровне . Управление потоком на уровне канала передачи данных используется не в протоколах локальных сетей, таких как Ethernet, а в модемах и беспроводных сетях.
На подуровне управления доступом к среде передачи (MAC):
- Множественные методы доступа для управления доступом к каналу, например CSMA/CD протоколы для обнаружения конфликтов и повторной передачи в шинных сетях Ethernet и сетях концентраторов или протокол CSMA/CA для предотвращения конфликтов в беспроводных сетях.
- Физическая адресация ( MAC-адресация )
- Коммутация локальных сетей ( коммутация пакетов ), включая фильтрацию MAC-адресов , протокол связующего дерева (STP), мост по кратчайшему пути (SPB) и TRILL (прозрачное соединение множества каналов)
- пакетов данных Очередь или планирование
- Переключение с промежуточным хранением или сквозное переключение
- Контроль качества обслуживания (QoS)
- Виртуальные локальные сети (VLAN)

Обнаружение и исправление ошибок [ править ]

Помимо формирования кадров, уровень канала передачи данных может также обнаруживать и устранять ошибки передачи. Чтобы получатель мог обнаружить ошибки передачи, отправитель должен добавить избыточную информацию в виде кода обнаружения ошибок к отправленному кадру . Когда приемник получает кадр, он проверяет, соответствует ли полученный код обнаружения ошибок перевычисленному коду обнаружения ошибок.

Код обнаружения ошибок можно определить как функцию, которая вычисляет $r$ (количество избыточных битов), соответствующее каждой строке из $N$ общего количества битов. Простейшим кодом обнаружения ошибок является бит четности , который позволяет приемнику обнаруживать ошибки передачи, которые повлияли на один бит среди переданных $N + r$ битов. Если имеется несколько перевернутых битов, метод проверки может не обнаружить это на стороне получателя. Существуют более продвинутые методы, чем обнаружение ошибок четности, обеспечивающие более высокие оценки качества и функций.

ЧАС	И	л	л	ТО
8	5	12	12	15

Простым примером того, как это работает с использованием метаданных , является передача слова «HELLO» путем кодирования каждой буквы в соответствии с ее позицией в алфавите. Таким образом, буква А кодируется как 1, Б 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 чисел «8 5 12 12 15 7», которую получатель увидит на своем конце, если нет ошибок передачи. Получатель знает, что последнее полученное число является метаданными для обнаружения ошибок и что все данные перед ним являются сообщением, поэтому получатель может пересчитать приведенные выше математические данные, 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 какой-то ошибки), он может запустить проверку, вычислив 7 + 5 + 12 + 12 + 15 = 51 и 5 + 1 = 6, и отбросить полученные данные как дефектные, поскольку 6 не равно 7.

Более сложные алгоритмы обнаружения и исправления ошибок призваны снизить риск того, что множественные ошибки передачи данных будут компенсировать друг друга и останутся незамеченными. Алгоритм, который может даже определить, получены ли правильные байты, но не в порядке, — это проверка циклическим избыточным кодом или CRC. Этот алгоритм часто используется на канальном уровне.

Примеры протоколов [ править ]

АРКнет
банкомат
Протокол обнаружения Cisco (CDP)
Сеть контроллеров (CAN)
Эконет
Ethernet
Автоматическое защитное переключение Ethernet (EAPS)
Оптоволоконный распределенный интерфейс данных (FDDI)
Реле кадров
Высокоуровневое управление каналом передачи данных (HDLC)
IEEE 802.2 (предоставляет функции LLC уровням MAC IEEE 802)
IEEE 802.11 Беспроводная локальная сеть
I²C
ЛаттисНет
Протокол обнаружения канального уровня (LLDP)
LocalTalk
MIL-STD-1553
Многопротокольная коммутация по меткам (MPLS)
Протокол обнаружения Nortel (NDP)
Протокол «точка-точка» (PPP)
Профибус
SpaceWire
Интернет-протокол последовательной линии ( SLIP ) (устарело)
Сплит-многоканальный транкинг (SMLT)
IEEE 802.1aq — мост по кратчайшему пути
Протокол связующего дерева
СтарЛан
Токен-ринг
TRILL (Прозрачное соединение множества ссылок)
Обнаружение однонаправленного соединения (UDLD)
УНИ/О
1-проводной
и большинство форм последовательной связи, например USB , PCI Express .

Связь с моделью TCP/IP [ править ]

В пакете интернет-протоколов (TCP/IP) функциональность уровня канала передачи данных OSI содержится на его самом нижнем уровне, канальном уровне . Канальный уровень TCP/IP имеет рабочую область действия канала, к которому подключен хост, и занимается только аппаратными проблемами до получения аппаратных (MAC) адресов для обнаружения хостов в канале и передачи кадров данных по каналу. Функциональность канального уровня была описана в RFC 1122 и определена иначе, чем канальный уровень OSI, и охватывает все методы, влияющие на локальный канал.

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 Интернета. В общем, следует избегать прямого или строгого сравнения моделей OSI и TCP/IP, поскольку многоуровневость в TCP/IP не является основным критерием проектирования и в целом считается «вредной» (RFC 3439). В частности, TCP/IP не диктует строгой иерархической последовательности требований к инкапсуляции, как это свойственно протоколам OSI.

См. также [ править ]

ALOHAnet § Протокол ALOHA
ОТРИЦАТЕЛЬНО
НДИС
SANA-II – Стандартная Amiga , версия 2 сетевая архитектура

Ссылки [ править ]

^ «X.225: Информационные технологии – Взаимосвязь открытых систем – Протокол сеанса, ориентированный на соединение: Спецификация протокола» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2021 года . Проверено 10 марта 2023 г.
^ «Что такое уровень 2 и почему вас это должно волновать?» . Accel-networks.com. Архивировано из оригинала 18 февраля 2010 года . Проверено 29 сентября 2009 г.
^ Реджис Дж. Бейтс и Дональд В. Грегори (2007). Справочник по передаче голоса и данных (5-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. п. 45. ИСБН 978-0-07-226335-0 .
^ Гован Мяо ; Гоцун Сун (2014). Проектирование беспроводной сети с эффективным использованием энергии и спектра . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-1107039889 .

С. Таненбаум, Эндрю (2005). Компьютерные сети (4-е изд.). 482, FIE, Патпаргандж , Дели 110 092: Дорлинг Киндерсли (Индия) Pvt. Ltd., лицензии Pearson Education в Южной Азии. ISBN 81-7758-165-1 . {{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
Одом, Вендел (2013). CCENT/CCNA ICND1 100-101, Официальное руководство по сертификации CCENT . Пол Богер, Cisco Press. ISBN 978-1-58714-385-4 .

Внешние ссылки [ править ]

[1] «X.225: Информационные технологии – Взаимосвязь открытых систем – Протокол сеанса, ориентированный на соединение: Спецификация протокола» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2021 года . Проверено 10 марта 2023 г.

[2] «Что такое уровень 2 и почему вас это должно волновать?» . Accel-networks.com. Архивировано из оригинала 18 февраля 2010 года . Проверено 29 сентября 2009 г.

[3] Реджис Дж. Бейтс и Дональд В. Грегори (2007). Справочник по передаче голоса и данных (5-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. п. 45. ИСБН 978-0-07-226335-0 .

[Miao-4] Гован Мяо ; Гоцун Сун (2014). Проектирование беспроводной сети с эффективным использованием энергии и спектра . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-1107039889 .

[1]

[2]

[3]

[4]